GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换北大核心CSCD

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。     

低成本Si基GaN微电子学的新进展

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。     

低成本Si基GaN微电子学的新进展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体GaN微电子学发展迅速,SiC基GaN微电子学已成为微波电子学的发展主流,且正在向更高频率和更高功率密度的新一代GaN微波功率器件发展。为了降低成本,Si基GaN微电子学应运而生,在5G通信、电动汽车等绿色能源应用发展的带动下,Si基GaN微电子学已进入产业化快速发展阶段。介绍了Si基GaN微电子学在射频Si基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)新器件结构、工艺与可靠性,Si基GaN HEMT单片微波集成电路(MMIC),Si基E模功率GaN HEMT结构设计,大尺寸Si基GaN HEMT工艺,Si基GaN功率开关器件的可靠性,Si基GaN功率变换器的单片集成和高频开关Si基GaN器件的应用创新等工程化、产业化方面的最新技术进展。分析和评价了低成本Si基GaN微电子学工程化和产业化的发展态势。     

GaN基互补型逻辑电路的研究进展及挑战

氮化镓（GaN）基异质结场效应晶体管具有工作频率高、导通损耗低等优点,已经开始广泛应用在多种高频、高效功率转换器中。为了充分发挥GaN功率器件的潜能,需要将功率开关器件和控制器、驱动等外围电路进行全GaN单片集成以减少寄生参数。互补型逻辑电路是实现集成的关键元电路之一,但其研究起步较晚。介绍了n沟道和p沟道GaN增强型器件的制备方案及互补逻辑电路的研究进展。从电学性能匹配性及稳定性出发探讨了现有互补型逻辑电路面临的关键科学问题,可以为GaN基互补型逻辑电路的研究提供参考。     

GaN单片功率集成电路研究进展

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有工作频率高、导通损耗小等优点,已经开始广泛应用在多种高频、高效功率转换器中,而拥有更高集成度的全GaN单片集成电路可进一步提高基于GaN HEMT器件功率变换器的性能.介绍了不同类型的全GaN集成工艺平台以及GaN功能子电路的研究进展,并对全GaN单片集成功率IC的研究现状进...     

增强型AlGaN/GaN HEMT器件工艺的研究进展

随着高压开关和高速射频电路的发展,增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)成为该领域内的研究热点。增强型GaN基HEMT只有在加正栅压才有工作电流,可以大大拓展该器件在低功耗数字电路中的应用。近年来,国内外对增强型GaN基HEMT阈值电压的研究主要集中以下两个方面:在材料生长方面,通过生长薄势垒、降低Al组分、生长无极化电荷的AlGaN/GaN异质材料、生长InGaN或p-GaN盖帽层,来控制二维电子气浓度;在器件工艺方面,采用高功函数金属、MIS结构、刻蚀凹栅、F基等离子体处理,来控制表面电势,影响二维电子气浓度。从影响器件阈值电压的相关因素出发,探讨了实现和优化增强型GaN基HEMT的各种工艺方法和发展方向。     

f_T/f_(max)>230/290GHZ的超薄势垒InAlGaN/AlN/GaN HEMTs

<正>氮化镓(GaN)材料具有大的禁带宽度、高击穿场强、高电子迁移率和高电子饱和速度等优良特性,不仅在微波大功率器件领域有广泛的应用,而且在超高频器件领域具备独特优势。南京电子器件研究所采用高极化强度的超薄InAlGaN势垒层形成InAlGaN/AlN/GaN异质结构,实现了电流截止     

击穿电压提高的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结特性

本文论述了AlGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的特性,该结构使用Al组分为7%的AlGaN来代替传统的GaN作为缓冲层。Al0.07Ga0.93N缓冲层增加了二维电子气沟道下方的背势垒高度,有效提高了载流子限阈性,从而造成缓冲层漏电的显著减小以及击穿电压的明显提高。对于栅尺寸为0.5100μm,栅漏间距为1μm的器件,AlGaN/GaN 双异质结器件的击穿电压（~100V）是常规单异质结器件的两倍（~50V）。本文中的双异质结器件在漏压为35V、频率为4GHz下,最大输出功率为7.78W/mm,最大功率附加效率为62.3%,线性增益为23dB。     

AlGaN/GaN横向肖特基势垒二极管的仿真与制作

基于GaN横向肖特基势垒二极管(SBD)的频率特性和应用的需要,设计了一种基于AlGaN/GaN异质结的横向SBD.利用Silvaco Atlas软件研究了 AlGaN势垒层的厚度和Al摩尔组分对异质结AlχGaN1-χ/GaN SBD电学性能的影响.仿真结果表明,SBD器件截止频率随Al摩尔组分的增加先增大再减小,当AlχGaN,1-χ层中Al摩尔组分为0.2～0.25,其厚度为20～30nm时,AlGaN/GaN SBD器件的频率特性最好.在仿真的基础上,设计制作出了肖特基接触直径为2 μm的非凹槽和凹槽型AlGaN/GaN横向空气桥SBD.通过直流I-V[测试和射频S参数测试,提取了两种SBD器件的理想因子、串联电阻、结电容、截止频率和品质因子等关键参数,该平面 SBD可应用于片上集成和混合集成的太赫兹电路的设计与制造.     

增强型GaN HEMT器件的实现方法与研究进展

考虑到实际应用对可靠性、设计成本及能耗的要求,增强型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件比传统耗尽型GaN HEMT器件优势更显著。目前有许多方法可以实现增强型GaN HEMT器件,如使用p型栅技术、凹栅结构、共源共栅（Cascode）结构、氟离子处理法、薄势垒AlGaN层以及它们的改进结构等。分别对使用以上方法制备的增强型GaN HEMT器件进行了综述,并对增强型GaN HEMT器件的最新研究进展进行了总结,探索未来增强型GaN HEMT器件的发展方向。     

GaN基HFET电力电子器件的研究

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基HFET功率器件具耐高压、高频、导通电阻小等优良特性,在电力电子器件方面也具有卓越的优势。概述了基于电力电子方面应用的AlGaN/GaN HFET功率器件的研究进展。从器件的结构入手,介绍了AlGaN/GaN HEMT的研究现状,从栅材料的选取以及栅介质层的结构对器件性能的影响着手,对AlGaN/GaN MIS-HFET的研究进行了详细的介绍。分析了场板改善器件击穿特性的原理以及各种场板结构AlGaN/GaNHFET器件的研究进展。论述了实现增强型器件不同的方法。阐述了GaN基HFET功率器件在材料、器件结构、稳定性、工艺等方面所面临的挑战。最后探讨了GaN基HFET功率器件未来的发展趋势。     

栅下双异质结增强型AlGaN/GaN HEMT

为获得更高的阈值电压,提出了一种新型栅下双异质结增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).使用双异质结电荷控制模型分析了基本机理,推导了阈值电压表达式.仿真结果表明,器件阈值电压与调制层Al组分呈线性关系.当调制层Al组分小于势垒层时,阈值电压增大,反之减小.调制层厚度可加大这种调制作用.当调制层Al组分...     

X-波段AlGaN/GaN HEMT功率MMIC

<正>AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以其高输出功率密度、高电压工作和易于宽带匹配等优势将成为下一代高频固态微波功率器件。微波功率器件主要有内匹配功率管和功率单片微波集成电路(MMIC)两种结构形式,功率MMIC尽管其研制成本相对较高,但功率MMIC可实现宽带匹配,同时功率MMIC的体积较内匹配功率管小得多,是满足诸如X     

微波功率AlGaN/GaN HEMT的研究进展

文章论述了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波功率领域应用的优势,详细介绍了微波功率AlGaN/GaN HEMT的工艺进展以及器件的直流和频率特性,评述了其最新进展及今后发展方向.     

GaN基SBD功率器件研究进展

作为第三代宽禁带半导体器件,GaN基肖特基势垒二极管(SBD)功率器件具有耐高温、耐高压和导通电阻小等优良特性,在功率器件方面具有显著的优势。概述了基于功率应用的GaN SBD功率器件的研究进展。根据器件结构,介绍了基于材料特性的GaN SBD和基于AlGaN/GaN异质结界面特性的GaN异质结SBD。根据器件结构对开启电压的影响,对不同阳极结构器件进行了详细的介绍。阐述了不同的肖特基金属的电学特性和热稳定性。分析了表面处理,包括表面清洗、表面等离子体处理和表面钝化对器件漏电流的影响。介绍了终端保护技术,尤其是场板技术对击穿电压的影响。最后探讨了GaN基SBD功率器件未来的发展趋势。     

势垒材料对GaN基异质结电学特性的影响研究

基于势垒材料分别为Al0.27Ga0.73N和In0.17Al0.83N的GaN基异质结肖特基二极管(SBD),研究了GaN基异质结的漏电流输运机制、二维电子气密度和反向击穿电压等重要电学特性。结果表明,AlGaN/GaN SBD的反向电流主要由Frenkel-Poole(FP)发射机制主导,而InAlN/GaN SBD的反向电流在低电场下表现为FP发射电流,在高电场下则表现为Fowler-Nordheim隧穿电流。InAlN/GaN SBD的异质界面二维电子气密度明显高于AlGaN/GaN SBD,但是InAlN层存在高密度的缺陷,导致InAlN/GaN SBD的反向漏电流较大,且反向击穿电压较低。     

提高GaN功率器件开关频率的技术途径

GaN基增强型高速开关器件是提升X波段微系统集成放大器工作效率的核心器件.介绍了凹槽栅结构、F-注入等制作GaN基增强型器件的关键技术,同时分析了场板、介质栅等对器件击穿特性的影响.针对影响GaN基功率器件开关特性的主要因素,重点分析了提高增强型GaN基功率器件开关频率的主要技术途径.减小器件的接触电阻、沟道方块电阻可以降低器件电阻对频率的影响.小栅长器件中栅电容较低,电子的沟道渡越时间较短,也可以提高器件的频率特性.此外,由于GaN基的功率器件频率高,设计应用在GaN器件上的栅驱动电路显得尤为重要.     

非掺杂AlGaN/GaN微波功率HEMT

Ga N有较 Ga As更宽的禁带、更高的击穿场强、更高的电子饱和速度和更高的热导率 ,Al Ga N/Ga N异质结构不仅具有较 Ga As PHEMT中Al Ga As/In Ga As异质结构更大的导带偏移 ,而且在异质界面附近有很强的自发极化和压电极化 ,极化电场在电子势阱中形成高密度的二维电子气 ,这种二维电子气可以由不掺杂势垒层中的电子转移来产生。理论上 Al Ga N/Ga N HEMT单位毫米栅宽输出功率可达到几十瓦 ,而且其宽禁带特点决定它可以承受更高的工作结温 ,作为新一代的微波功率器件 ,Al Ga N/Ga N HEMT将成为微波大功率器件发展的方向。采…     

GaN基电子器件研究进展

GaN直接带隙宽、电子迁移率高、击穿电场高以及热导率良好,近年来GaN体电子器件的研发进展迅速。GaN基电子器件主要包括HEMT、HBT、PD、MISFET及SAW器件。