← 返回
通过层状C/Fe掺杂GaN缓冲层提升GaN HEMT的击穿电压和射频功率特性
Improved Breakdown Voltage and RF Power Characteristics of GaN HEMTs by Layered C/Fe-Doped GaN Buffer
| 作者 | Qian Yu · Meng Zhang · Ling Yang · Zou Xu · Hao Lu · Chunzhou Shi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN HEMT C/Fe掺杂缓冲层 击穿电压 跨导 射频性能 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种创新的层状氮化镓（GaN）缓冲层结构。该结构上层为低浓度碳（C）掺杂层，下层为铝镓氮/氮化镓（AlGaN/GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中常用的铁（Fe）掺杂氮化镓缓冲层。在抑制铁掺杂拖尾效应的同时，氮化镓高电子迁移率晶体管的击穿电压从128 V提高到了174 V。由于铁掺杂拖尾效应得到抑制，晶体管的迁移率和跨导（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\text {g}_{m}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）也得到显著改善。<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${5}\times {10}^{{16}}$ </tex-math></inline-formula>/cm³的碳掺杂浓度不会明显加剧氮化镓高电子迁移率晶体管的电流崩塌（CC）现象。在（−3.5, 20）V偏置条件下，碳/铁掺杂氮化镓高电子迁移率晶体管的电流崩塌率为3%。跨导（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\text {g}_{m}$ </tex-math></inline-formula>）的提高使得电流增益截止频率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${f}_{T}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）和最大振荡频率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${f}_{\max }\text {)}$ </tex-math></inline-formula>）也相应提高。碳/铁掺杂缓冲层氮化镓高电子迁移率晶体管在12 GHz射频负载牵引测试中表现出高性能。在漏极电压为80 V时，实现了24.1 W/mm的输出功率密度和57%的功率附加效率（PAE）。这为高射频功率氮化镓高电子迁移率晶体管缓冲层的设计提供了新思路。
English Abstract
In this article, an innovative layered GaN buffer is proposed. The upper layer is low-concentration C-doped, and the lower layer is the Fe-doped GaN buffer layer used in AlGaN/GaN high electronic mobility transistors (HEMTs). While suppressing the Fe doping tail, the breakdown voltage of the GaN HEMT is increased from 128 to 174 V. Because of the suppression of the Fe-doped tail, the mobility and transconductance ( g_m ) were also significantly improved. The C-doped concentration of 5 10^16 /cm3 does not significantly worsen the current collapse (CC) of the GaN HEMTs. The CC of C/Fe-doped GaN HEMTs is 3% at the (−3.5, 20) V. The increase in g_m results in a higher current gain cut-off frequency ( f_T ) and the maximum oscillation frequency ( f_ ) . The C/Fe-doped buffer GaN HEMTs exhibit high performance in the RF load-pull of 12 GHz. The 24.1 W/mm of output power density and 57% of power-added efficiency (PAE) are realized at 80 V of drain voltage. This can provide a new idea for the buffer layer of high RF power GaN HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于分层C/Fe掺杂GaN缓冲层的HEMT技术突破具有重要的战略价值。该技术通过创新的双层掺杂结构，将器件击穿电压从128V提升至174V，同时显著改善了跨导和载流子迁移率，这对我们在高功率密度逆变器和储能变流器领域的产品升级具有直接意义。
在光伏逆变器应用中，更高的击穿电压意味着可以支持更高的直流母线电压，有利于实现1500V甚至更高电压等级的系统设计，从而降低系统电流、减少线损，提升整体效率。该技术实现的24.1W/mm功率密度和57%的功率附加效率，在12GHz射频条件下表现优异，虽然我们的逆变器工作频率较低（通常在几十kHz），但其展现的高频特性表明器件具有出色的开关性能和低损耗潜力，可转化为更高的系统效率和更紧凑的设计。
特别值得关注的是，该技术将电流崩塌效应控制在3%的低水平，这对于储能双向变流器的可靠性至关重要。抑制Fe掺杂尾效应的创新方法，为解决GaN器件长期存在的动态导通电阻退化问题提供了新思路。
然而，技术应用仍面临挑战：首先是从射频器件到功率开关器件的工艺适配；其次是分层掺杂工艺的成本控制和量产一致性；再者需要验证在实际工况下的长期可靠性。建议我们与GaN器件供应商建立联合开发机制，将该缓冲层技术应用于650V-1200V功率器件开发，推动下一代高效率、高功率密度逆变器平台的技术储备。