电子系本科生肖星辰以第一作者在APL上发表研究成果
近日，南方科技大学电子与电气工程系2022级本科生肖星辰在GaN-on-Si集成温度传感芯片研究方面取得进展。相关成果以“High-linearity on-chip GaN-on-Si temperature sensors based on an E-mode-compatible process”为题，发表在应用物理领域国际著名期刊Applied Physics Letters上（DOI:10.1063/5.0259389）。
GaN-on-Si高电子迁移率晶体管（HEMT）赋能高功率密度，促进电力电子系统的小型化发展，但也带来了新的管理挑战，会限制器件的效率、可靠性与寿命。为实现对器件“热点”的精确监测，并保障系统在安全温度范围内工作，亟需一种能够片上集成的GaN温度传感器，用于准确检测结温和过温保护（OTP）。该类传感器需与GaN HEMTs工艺兼容，同时在保持高灵敏度与高线性度的前提下，具备小芯片面积，以满足高性能功率系统的热管理需求和成本需求。
肖星辰同学提出并实现了一种基于p-GaN场效应整流器件（FER）的GaN-on-Si芯片温度传感器结构，兼容主流增强型（E-mode）GaN工艺平台。该器件利用开通电压（Vₒₙ）和导通电阻（Rₒₙ）的正温度系数特性，在10 mA电流输入下实现了3.57 mV/°C的高灵敏度，并在多个器件上测试得到了高达0.998的线性度（R²），优于传统基于负温度系数器件的方案。
图1 基于p-GaN FER的单级温度传感器在不同输入电流下的性能表现
为进一步提高性能，研究团队设计了多级级联FER构成的温度探测IC，实现了灵敏度的线性提升。3级FER结构在与单级结构相同输入电流条件下达到了11.76 mV/°C的高灵敏度，并保持了0.999以上的优异线性度。此外，该芯片面积仅为0.021 mm²，面积小、成本低，且基于商用6英寸650 V E-mode GaN-on-Si工艺设计套件（PDK）设计、与GaN功率器件的完全工艺兼容，非常适合片上集成。
表1 基于p-GaN FER的温度传感器与文献结果的多维度对比
该研究展示了GaN FER在片上集成式温度传感领域的潜力，并提出了一种低成本、高兼容性、适用于电源系统的片上温度监控解决方案，为未来高性能功率系统的热管理提供了有力支撑。
本研究的理论设计、数据分析、论文撰写等主要工作由肖星辰同学完成，其为论文第一作者，南方科技大学为第一单位，马俊助理教授为论文的通讯作者，合作单位为瑞士Novawave AG公司。