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GaN-based power devices: Physics, reliability, and perspectives

材料科学 氮化镓 光电子学 小型化 制作 功率半导体器件 工程物理 宽禁带半导体 晶体管 可靠性(半导体) 电压 纳米技术 电气工程 功率(物理) 物理 工程类 医学 病理 量子力学 替代医学 图层(电子)
作者
Matteo Meneghini,Carlo De Santi,Idriss Abid,Matteo Buffolo,Marcello Cioni,Riyaz Abdul Khadar,Luca Nela,Nicolò Zagni,Alessandro Chini,Farid Medjdoub,Gaudenzio Meneghesso,G. Verzellesi,Enrico Zanoni,Elison Matioli
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:130 (18) 被引量:389
标识
DOI:10.1063/5.0061354
摘要

Over the last decade, gallium nitride (GaN) has emerged as an excellent material for the fabrication of power devices. Among the semiconductors for which power devices are already available in the market, GaN has the widest energy gap, the largest critical field, and the highest saturation velocity, thus representing an excellent material for the fabrication of high-speed/high-voltage components. The presence of spontaneous and piezoelectric polarization allows us to create a two-dimensional electron gas, with high mobility and large channel density, in the absence of any doping, thanks to the use of AlGaN/GaN heterostructures. This contributes to minimize resistive losses; at the same time, for GaN transistors, switching losses are very low, thanks to the small parasitic capacitances and switching charges. Device scaling and monolithic integration enable a high-frequency operation, with consequent advantages in terms of miniaturization. For high power/high-voltage operation, vertical device architectures are being proposed and investigated, and three-dimensional structures—fin-shaped, trench-structured, nanowire-based—are demonstrating great potential. Contrary to Si, GaN is a relatively young material: trapping and degradation processes must be understood and described in detail, with the aim of optimizing device stability and reliability. This Tutorial describes the physics, technology, and reliability of GaN-based power devices: in the first part of the article, starting from a discussion of the main properties of the material, the characteristics of lateral and vertical GaN transistors are discussed in detail to provide guidance in this complex and interesting field. The second part of the paper focuses on trapping and reliability aspects: the physical origin of traps in GaN and the main degradation mechanisms are discussed in detail. The wide set of referenced papers and the insight into the most relevant aspects gives the reader a comprehensive overview on the present and next-generation GaN electronics.
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