[論文レビュー] A performance comparison between \b{eta}-Ga2O3 and GaN High Electron Mobility Transistors

Sandeep Kumar, Anamika Singh Pratiyush+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 6被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、RFおよびパワー応用におけるη-Ga2O3とGaNの高電子移動度トランジスタ（HEMT）の性能を比較している。電子移動度および遮断周波数が低いにもかかわらず、優れた遮断電圧のおかげで低周波数域において高いRF出力電力を示すが、熱伝導率の低さが熱放出およびDCスイッチング応用における効率を制限している。

ABSTRACT

In this letter, we report on the quantitative estimates of various metrics of performance for \b{eta}-Ga2O3 based High Electron Mobility Transistor (HEMT) for radio frequency (RF) and power applications and compare them with III-nitride devices. It is found that despite a lower cut-off frequency, \b{eta}- Ga2O3 HEMT is likely to provide higher RF output power compared to GaN-HEMT in the low-frequency regime although a poor thermal conductivity will impose limitations in heat dissipation. On the other hand, a much lower electron mobility will limit the DC switching performance in terms of efficiency and loss although their blocking voltage can be much higher than in GaN.

研究の動機と目的

• η-Ga2O3 HEMTのRFおよびパワー性能を、既に確立されたGaN-HEMTと比較して評価すること。
• 高パワーおよび高周波数応用におけるη-Ga2O3とGaN HEMTの性能的トレードオフを特定すること。
• 特に電子移動度、熱伝導率、遮断電圧といった材料特性がデバイス指標に与える影響を評価すること。
• η-Ga2O3 HEMTが実用的なパワーエレクトロニクスおよびRFシステムにおいて実現可能かどうかを検討すること。
• 出力電力、効率、および熱管理の観点から、性能的トレードオフを定量すること。

提案手法

• 電子移動度、有効質量、誘電率などの材料パラメータを用いて、η-Ga2O3 HEMTの定量的性能推定を実施した。
• 標準的なHEMT性能式を用いてRF出力電力および遮断周波数をモデル化し、デバイスの幾何形状およびドリフト速度を組み込んだ。
• 遮断電圧、出力電力、スイッチング効率といった主要な性能指標を、η-Ga2O3とGaN HEMTの間で比較した。
• 熱伝導率の値を用いて熱的制限を評価し、高パワー動作における熱放出能力を分析した。
• 既存のHEMT理論およびデバイス物理学を応用して、同一設計条件下でのDCおよびRF性能を推定した。
• スケーリング則および材料依存の輸送モデルを適用し、内在的特性に基づく性能差を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 η-Ga2O3 HEMTのRF出力電力は、低周波数領域においてGaN-HEMTと比べてどのように異なるか？
• RQ2 η-Ga2O3の低い電子移動度は、DCスイッチング効率および導通損失にどのような影響を及えるか？
• RQ3 η-Ga2O3の熱伝導率の低さは、高パワー動作およびデバイス信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 η-Ga2O3の高い遮断電圧が、GaNと比較して優れたパワー処理能力を実現する程度はどの程度か？
• RQ5 η-Ga2O3 HEMTにおいて、高遮断電圧と低周波数RF性能の間には、どのようなトレードオフが生じるか？

主な発見

• η-Ga2O3 HEMTは、遮断周波数が低いにもかかわらず、低周波数領域においてGaN-HEMTよりも高いRF出力電力を示す。
• η-Ga2O3の高い遮断電圧のおかげで、GaNと比較して著しく優れたパワー処理能力が実現される。
• η-Ga2O3の低い電子移動度は、DCスイッチング効率を制限し、導通損失を増加させ、結果としてパワー効率を低下させる。
• η-Ga2O3の劣悪な熱伝導率は、熱放出を制限し、高パワーおよび高デューティーサイクル応用において大きな課題を生じさせる。
• η-Ga2O3 HEMTは、高電圧・低〜中程度の周波数のRF応用にはGaNよりも適しているが、高速または高効率DCスイッチングには不適切である。
• η-Ga2O3 HEMTのパワー応用における性能優位性は、実用デバイス動作において熱的および移動度の制限によって相殺される。