[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究比较了用于射频和功率应用的η-Ga2O3与GaN异质结场效应晶体管（HEMT）的性能。尽管电子迁移率和截止频率较低，η-Ga2O3 HEMT在低频下仍表现出更高的射频输出功率，这是由于其具有更优的阻断电压；然而，热导率较低限制了其在直流开关应用中的散热能力与效率。

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.

研究动机与目标

• 评估η-Ga2O3 HEMT相对于成熟的GaN-HEMT在射频和功率性能方面的表现。
• 识别η-Ga2O3与GaN HEMT在高功率和高频应用中性能权衡的差异。
• 评估材料特性（尤其是电子迁移率、热导率和击穿电压）对器件性能指标的影响。
• 确定η-Ga2O3 HEMT在实际功率电子器件和射频系统中的可行性。
• 量化在输出功率、效率和热管理方面的性能权衡。

提出的方法

• 利用电子迁移率、有效质量及介电常数等材料参数，对η-Ga2O3 HEMT进行定量性能估算。
• 使用标准HEMT性能方程建模射频输出功率和截止频率，结合器件几何结构与漂移速度。
• 对比η-Ga2O3与GaN HEMT的关键性能指标——阻断电压、输出功率和开关效率。
• 利用热导率数值评估热限制，分析高功率工作状态下的散热能力。
• 基于成熟的HEMT理论和器件物理，在相同设计条件下估算直流与射频性能。
• 应用缩放定律和材料依赖的输运模型，根据本征特性预测性能差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低频范围内，η-Ga2O3 HEMT的射频输出功率与GaN-HEMT相比如何？
• RQ2 η-Ga2O3中较低的电子迁移率对直流开关效率和导通损耗有何影响？
• RQ3 η-Ga2O3热导率的限制如何影响高功率运行和器件可靠性？
• RQ4 η-Ga2O3更高的击穿电压在多大程度上使其在功率处理能力上优于GaN？
• RQ5 η-Ga2O3 HEMT在高阻断电压与低频射频性能之间存在何种权衡？

主要发现

• 尽管截止频率较低，η-Ga2O3 HEMT在低频范围内表现出高于GaN-HEMT的射频输出功率。
• η-Ga2O3更高的阻断电压使其在功率处理能力方面显著优于GaN。
• η-Ga2O3中较低的电子迁移率限制了直流开关效率并增加了导通损耗，从而降低了功率效率。
• η-Ga2O3较差的热导率限制了散热能力，对高功率和高占空比应用构成重大挑战。
• η-Ga2O3 HEMT更适合于高电压、低至中等频率的射频应用，而不适合高速或高效率直流开关应用。
• η-Ga2O3在功率应用中的性能优势，被实际器件运行中热导率和迁移率的限制所抵消。