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香港科技大学（HKUST）和台湾半导体制造公司联合实现硅衬底上p型氮化镓（p-GaN）栅极高频功率晶体管上集成电容。p栅极GaN晶体管具有增强模式，其中晶体管处于电流关断状态，栅极电位为零。这样可以降低功耗。该研究成果已发表于IEEE电子器件快报。 研究人员们正在努力提高GaN晶体管的转换效率和功率密度，以用于高频功率应用。而在硅上制造GaN应该能够降低制造成本。 p栅增强型晶体管的一个问题是栅极驱动回路中的寄生电感引起高频下的过电压应力。通过高压电源开关和外围驱动/控制模块的片上集成，可以最大限度地减少寄生电感。集成无源器件 - 电阻器和电容器的可用性促进了这种集成。电容器能够用于帮助解除电源中的噪声、移位电平以及栅极驱动器中的泵电荷。 用于p-GaN栅电容器的材料结构是用于商业650V增强型功率器件的金属/p-GaN/AlGaN/GaN。电容器在n侧使用欧姆接触，在p-GaN上使用肖特基接触（图1）。p-GaN材料向下弯曲下面的能带结构，耗尽通常在AlGaN/GaN界面附近形成的二维电子气（2DEG），使器件进入断开状态。研究人员将他们的器件建模为背对背二极管，由金属p-GaN肖特基结和p-GaN/AlGaN/GaN异质结组成。 图1：（a）p-GaN栅极电容器的横截面示意图。 （b）零偏压时栅极堆叠深度的能带示意图和相应的等效电路。 在形成2DEG的阈值之上，肖特基二极管电容是电压相关的，而异质结电容被认为是与电压无关的。异质结电容取决于AlGaN势垒厚度。低于阈值，异质结电容可忽略不计，产生低总电容，主要来自边缘/边缘区域。 图2：（a）测量的C-V特性和提取的p-GaN栅极电容器的等效氧化物厚度。 （b）在正栅极偏压下在不同温度下测量的栅极泄漏。 （c）带电p-GaN栅电容器的栅极电压（VG）和电流（IG）的外推时间演变。 （d）计算p-GaN栅极电容器的功耗。 计算得知，42μmx100μm矩形器件的电容密度高达~230nF / cm2（图2）。叠层的等效氧化物厚度（EOT）范围为16nm至20nm，各自的电压在4V至7V之间变化。室温DC击穿电压约为12.5V。 栅极泄漏导致在~60μs内从6V自放电到5V，在~500μs内从5V到4V自放电。研究人员评论说：“这样的结果表明p-GaN栅极电容非常适合频率高于100kHz的交流工作（周期小于10μs）。” 栅极泄漏引起的功耗在6V偏置时为~30μW，在5V时为~4μW。研究人员评认为，“与具有电容器的电路（例如栅极驱动器）的整体功耗相比，这种功耗可以忽略不计”。此外，研究还发现栅极泄漏随温度增加。 该团队建议将工作电压限制在7V以下，以避免长期应力引起的退化。 研究人员还比较了大面积250μm半径圆形与交叉指型p电极的性能。交叉指数由六个叉指组成，尺寸为54μmx360μm，与圆形器件的电容相当，目的是抑制2DEG中串联电阻对电流的分布影响。由于器件打开较慢，所以电流分布限制了工作频率。对于交叉指型电容器，品质因数在5MHz时为145，而圆形器件为3.0。
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