GaN HEMT提供创纪录的效率

经过原生处理的衬底使GaN HEMT的功率附加效率超过80％

富士通的工程师声称提高了以几千兆赫兹工作的GaN HEMT的功率附加效率（PAE）的标准。他们的创纪录器件在2.45GHz下工作时，PAE达到了近83%。

这种高效率有助于降低无线基础设施的碳足迹。根据一个名为“能量感知无线电和网络技术”的项目的研究结果，功率放大器通常占无线电基站能量消耗的65%。

富士通的团队在自支撑GaN衬底上制造了其器件，发言人Yusuke Kumazaki称其为“价格合理”的基础。但是，他承认，与其他普通衬底相比，它仍然很昂贵，而且价格必须降低才能确保GaN-on-GaN器件在商业上取得成功。

在同质衬底上生产GaN HEMT会削减外延层中的缺陷密度，从而抑制电流崩溃，电流崩溃是功率特性退化的原因。然而，在富士通进行这项最新工作之前，GaN-on-GaN-HEMTs未得到比其他衬底上生产的同类器件的预期优越射频性能。Kumazaki和他的同事怀疑界面的硅污染是造成RF性能下降的罪魁祸首。“ Kumazaki承认：“但是，硅污染对RF性能的影响远大于我们的假设。”

请注意，当GaN HEMT在异质衬底（例如硅或SiC）上生长时，生长界面处的硅污染并不是一个重要问题。这是因为这些外延结构具有较宽的带隙材料，例如AlN成核层，其中硅不充当施主。

为了抑制硅杂质的污染，富士通的工程师在生长外延层之前用氢氟酸处理衬底。通过比较含氢氟酸和不含氢氟酸的湿化学处理结构的材料特性和HEMT性能，证明了该方法的优越性。

通过MOCVD生长用于该研究的器件。它们具有表面钝化和与源极相连的场板的特点，以减小栅极边缘的电场（请参见上面的图1）。

二次离子质谱分析表明，尽管没有有意掺杂硅，但在这两种工艺产生的GaN HEMT中，硅堆积在衬底与外延层之间的界面上。但是，与氢氟酸处理的HEMT中仅8 x 10¹⁷ cm^-3相比，对照中的硅累积达到5 x 10¹⁹ cm^-3 峰值。

图2.通过防止外延层-衬底界面处的硅污染，富士通的GaN HEMT为工业，科学和医学范围内的2.45 GHz的功率附加效率树立了一个新的基准。

该小组研究了漏极电导和最大稳定增益，得出结论认为，射频性能的显着改善归因于衬底与外延层之间界面处硅浓度的降低。使用10微秒的脉冲和1％的占空比以对1.8mm栅极外围高级结构器件进行的RF测量显示，在2.45 GHz频率下，PAE达到了创纪录的82.8％，这在工业，科学和医学频段内（参见图2）。在此频率下，输出功率为42 dBm，功率密度为8.7 W mm^-1。

Y. Kumazaki 等人的 《在自支撑GaN衬底上，功率增加效率超过80％的GaN高电子迁移率晶体管》。Appl. Phys. Express 14016502（2021）