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功率器件技术 GaN器件 ★ 5.0

无缓冲层AlGaN/GaN MISHEMT中MOCVD外延SiN栅介质对微波功率性能的影响

Microwave Power Performance of Buffer-Free AlGaN/GaN MISHEMT With MOCVD Grown Ex Situ SiN

作者 Amit Bansal · Rijo Baby · Aniruddhan Gowrisankar · Vanjari Sai Charan · R. Muralidharan · Hareesh Chandrasekar
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 AlGaN/GaN MISHEMT SiNx 栅介质 SiNx 钝化层 微波功率性能 二维电子气密度
语言:

中文摘要

本研究探究了异位金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的氮化硅(SiNx)栅极介质和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(SiNx)钝化层对无缓冲层AlGaN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MISHEMT)微波功率性能的影响。我们在从4英寸外延片切割出的一系列四个样品上制作了器件:前两个样品没有栅极介质,而后两个样品采用厚度达3纳米的异位SiNx作为栅极介质。在这两类样品中,各有一个样品采用在高频等离子体条件下沉积的100纳米基准SiNx钝化层,另一个样品则采用100纳米双层SiNx钝化层。器件的栅长小于0.22微米,栅宽为2×50微米。没有栅极介质的样品表现出较低的二维电子气(2DEG)密度(约为7×10¹² 平方厘米⁻¹),这可能是由于较薄的势垒层(10纳米,Al₀.₃Ga₀.₇N)使得栅极费米能级钉扎导致显著的电荷耗尽。此外,当这些高电子迁移率晶体管(HEMT)受到1微秒脉冲作用时,无论采用何种钝化方案,均表现出较高的电流崩塌(CC)(≥38%)。另一方面,MISHEMT表现出较高的2DEG密度(约为10¹³ 平方厘米⁻¹),这也体现为阈值电压的升高。MISHEMT的栅极延迟降至仅4% - 6%,而在栅 - 漏双脉冲条件下,不同钝化方案对应的电流崩塌分别为27%和11%。漏极电流瞬态(DCT)研究表明,异位SiN沉积抑制了表面态,并暗示存在局域缺陷。最后,在28伏B类工作模式下,于6吉赫兹和10吉赫兹频率处,在脉冲负载牵引条件下测得的输出功率分别为8.1瓦/毫米(功率附加效率为68%)和5.2瓦/毫米(功率附加效率为47%)。

English Abstract

This work investigates the effect of ex situ MOCVD-grown SiNx gate dielectric and PECVD SiNx passivation layer on the microwave power performance of buffer-free AlGaN/GaN MISHEMT. We fabricated devices on a series of four samples diced from a 4 inch epi: first two samples had no gate dielectric while the latter two had upto 3 nm of ex situ SiNx as the gate dielectric. In each of the categories, one sample had baseline 100 nm SiNx passivation deposited under high frequency plasma conditions, while the other sample had 100 nm bilayer SiNx passivation. Devices had gate length of 0.22~ m and width of 2 50~ m. Samples with no gate dielectric exhibited low 2DEG density 7 10^12 cm ^-2 possibly due to significant charge depletion by the gate Fermi pinning owing to a thin barrier (10 nm, Al0.3Ga0.7N). Moreover, these HEMTs exhibited high current collapse (CC) 38 % irrespective of the passivation scheme when subjected to 1~ s pulse. The MISHEMTs on the other hand, exhibited high 2DEG density 10^13 cm ^-2 which also manifested as increased threshold voltage. Gate lag reduced to a mere 4%–6% in MISHEMTs, while under gate-drain double pulsing, the collapse was found to be 27% and 11% for different passivation schemes. Drain current transient (DCT) studies revealed suppression of surface states upon ex situ SiN deposition, and hinted at localized defects. Finally, under 28 V Class B operation at 6 and 10 GHz, output power of 8.1 W/mm power added efficiency (PAE 68%) and 5.2 W/mm (PAE 47%) respectively were measured under pulsed loadpull conditions.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于AlGaN/GaN MISHEMT微波功率性能的研究具有重要的战略参考价值。GaN基功率器件因其高频、高效、高功率密度特性,正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品实现性能跃升的关键技术路径。

该研究的核心突破在于采用MOCVD原位生长的SiNx栅介质层显著改善了器件性能。实验数据显示,引入3nm SiNx栅介质后,二维电子气密度从7×10¹²提升至10¹³ cm⁻²,电流崩塌从38%降至4-6%,这直接转化为更高的导通电流和更低的动态损耗。在6GHz和10GHz频段分别实现8.1W/mm(效率68%)和5.2W/mm(效率47%)的输出功率密度,展现了优异的高频开关特性。

对阳光电源而言,这项技术的应用潜力主要体现在三个层面:首先,高频化能力可支撑逆变器向更高开关频率发展,减小磁性元件体积,提升功率密度;其次,低电流崩塌特性意味着更稳定的动态性能,这对储能系统的双向变流和快速响应至关重要;第三,高功率附加效率直接降低系统热管理需求和能量损耗。

然而,技术产业化仍面临挑战:4英寸晶圆规模限制了成本竞争力,0.22μm栅长工艺对制造一致性要求极高,且研究中的脉冲测试条件与实际连续运行工况存在差距。建议阳光电源关注该技术在650V及以上电压等级的可靠性验证,以及与现有Si/SiC方案的系统级成本效益对比,审慎评估在下一代高频逆变器平台中的导入时机。