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基于高质量叠层栅介质的Si衬底高效率AlN/GaN HEMT及其在K波段和Ka波段的应用
High-Efficiency AlN/GaN HEMTs With High-Quality Stacked Gate Dielectrics on Si Substrate for K- and Ka-Band Applications
| 作者 | Lingjie Qin · Jiejie Zhu · Qing Zhu · Bowen Zhang · Dayan Yuan · Yuxi Zhou |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6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 | AlN/GaN MIS - HEMTs K和Ka波段 Al₂O₃/in situ SiN 功率附加效率 功率放大 |
语言:
中文摘要
在本文中，我们报道了采用优化的 Al₂O₃/原位 SiN 堆叠栅介质、在 6 英寸硅衬底上制备的用于 K 波段和 Ka 波段应用的高性能 AlN/GaN 金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管（MIS - HEMT）。这些 MIS - HEMT 的栅长小于 0.2 微米，漏源间距为 3 微米，经频率相关的电容 - 电压（C - V）测量验证，其展现出卓越的电学特性和优异的界面质量。此外，通过应力测试证实了器件的可靠性。在 18 GHz 的大信号射频（RF）工作条件下，当漏极电压为 8 V 时，这些 MIS - HEMT 的功率附加效率（PAE）超过 75%。而在 29 GHz、漏极电压为 8 V 的条件下，器件的功率附加效率达到 68%，同时功率密度为 1.2 瓦/毫米。这些优异的结果表明，基于硅衬底的 Al₂O₃/原位 SiN/AlN/GaN MIS - HEMT 在 K 波段和 Ka 波段通信系统的高效功率放大方面具有巨大潜力。
English Abstract
In this article, we report high-performance AlN/GaN metal-insulator–semiconductor high-electron-mobility transistors (MIS-HEMTs) fabricated on 6-in Si substrate for K- and Ka-band applications, featuring optimized Al2O3/in situ SiN stacked gate dielectric. The MIS-HEMTs featuring a gate length of 0.2~ m and a drain-source spacing of 3~ m exhibited remarkable electrical characteristics and excellent interface quality, as verified by frequency-dependent capacitance-voltage (C–V) mea- surements. Moreover, device reliability was confirmed through stress testing. Under large-signal radio frequency (RF) operation at 18 GHz, the MIS-HEMTs demonstrated power-added efficiency (PAE) exceeding 75% with drain voltage ( V _ DS ) of 8 V. While at 29 GHz and V _ DS = 8 V, the devices achieved a PAE of 68% accompanied by power density of 1.2 W/mm. These exceptional results demonstrate the strong potential of the Al2O3/in situ SiN/AlN/GaN MIS-HEMTs on Si for high-efficiency power amplification in K- and Ka-band communication systems.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这篇论文展示的AlN/GaN MIS-HEMT技术虽然聚焦于K/Ka波段射频应用，但其核心技术突破对我们在功率电子领域具有重要的参考价值和潜在协同效应。
该研究在6英寸硅基底上实现的高性能氮化镓器件，与阳光电源在光伏逆变器和储能变流器中大量使用的功率半导体技术路线高度相关。其采用的Al2O3/原位SiN叠层栅介质技术，有效提升了器件的界面质量和可靠性，这对我们正在推进的高频化、高功率密度逆变器开发具有借鉴意义。特别是该器件在8V工作电压下实现超过75%的功率附加效率，展现了氮化镓材料在高效能量转换方面的巨大优势。
从技术成熟度评估，硅基底GaN技术的成本优势明显，符合阳光电源大规模产业化的需求。然而，该技术目前主要针对射频应用优化，与我们功率器件所需的高耐压（600V-1200V）、大电流特性存在显著差异。将这类先进的栅介质工程和界面控制技术迁移到功率GaN HEMT领域，需要重新设计器件结构和工艺流程。
技术机遇在于，随着光储系统向更高开关频率（100kHz以上）和更高功率密度发展，GaN器件的应用价值日益凸显。阳光电源可关注此类高质量介质层技术在功率器件中的适配性研究，特别是在提升器件可靠性和降低开关损耗方面的潜力，这将直接支撑我们新一代高效逆变器和储能PCS产品的技术迭代。