采用超薄势垒AlN/GaN异质结和三维栅结构实现高效率氮化镓增强型射频器件

在一项最近发表的研究中（Jingshu Guo , Jiejie Zhu , Siyu Liu, et al. IEEE Electron Device Letters, 2023, 44(4): 590-593），西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心联合苏州晶湛半导体有限公司报道了具有高效率性能的氮化镓增强型射频功率器件。研究人员采用超薄势垒AlN/GaN异质结和三维栅结构实现了器件的低损伤增强型工作，并采用低损伤氧化工艺提升了器件的耐压和功率输出性能。制备了具有高输出电流密度和高击穿电压的常关型高电子迁移率晶体管(HEMT)。该增强型器件具有高输出电流优势，不仅可以在12V的工作电压实现很高的效率，而且可以在28 V的工作电压下实现较高的输出功率，兼容移动通信终端和微基站应用。

 

Fig. 1 (a) Schematic structure and (b) fabrication process flow of tri-gate AlN/GaN HEMTs. (c) Cross-section SEM photograph of periodic tri-gate whose width is 185 nm within one period.

图1 （a）三维栅AlN/GaN HEMTs器件结构图和（b）制作流程。（c）扫描电镜观测的三维栅结构的截面图。

 

Fig. 2 Impact of plasma oxidation treatment prior to gate fabrication on the characteristics of tri-gate AlN/GaN HEMTs: (a) transfer and transconductance curves, (b) off-state breakdown characteristics.

图2栅极制造前的等离子体氧化处理对三栅极AlN/GaN HEMTs特性的影响：（a）转移和跨导曲线，（b）关态击穿特性。  

 

 

Fig. 3 Typical RF power characteristics of tri-gate normally-off AlN/GaN HEMTs measured at 3.6 GHz. (a) The drain voltage is biased at 12 V. (b) Drain is biased at 28 V.

图3 频率3.6GHz下三维栅常关型AlN/GaN HEMT器件的典型射频功率特性：（a）漏极偏压为12V。（b）漏极偏压为28V。

三栅结构增强型AlN/GaN高电子迁移率晶体管及其性能表现

小尺寸的GaN 基HEMT对5G频段的高频高效率功率放大器的应用是非常具有前景的。常关型器件在应用中不需要施加栅压来保持器件的关断状态，其电路结构相比常开型器件更加简单，芯片尺寸可以大幅缩小。随着工作频率不断提高，射频器件尺寸逐渐缩小，可以提供搞浓度二维电子气的强极化势垒结构，如InAlN、ScAlN、AlN等，受到广泛关注。由于势垒层厚度减小，刻蚀可能带来的沟道电子散射和高界面态浓度对器件性能影响较大，通过减小三栅结构中纳米沟道的尺寸实现阈值电压调制对光刻精度要求非常高而且电流损失严重。具有高输出电流和高效率的常关型器件制作难度较大。

为了解决该问题，西安电子科技大学的研究人员利用三栅结构对器件阈值电压的调制作用和AlN对氧化的敏感性，提出了利用三栅结构结合远程氧等离子体处理制备常关型器件的方法。三栅结构结合栅前氧化工艺实现正的阈值电压，不仅降低了三栅结构光刻的工艺难度，而且可以得到大的输出电流。三栅结构还使得器件具有较低的膝点电压，这对提高器件在低电压下的工作效率非常必要的。另外，栅前的远程氧等离子体处理可以降低器件的关态电流，显著提高器件的击穿电压，使得器件可以满足较高工作电压的需求。

利用三栅结构结合远程氧等离子体处理制备的常关型AlN/GaN HEMT器件 (Fig.1)，其阈值电压为0.2 V，饱和电流为1.61 A/mm，击穿电压为159 V (Fig.2)。在3.6 GHz下进行的功率测试，漏压12 V时功率附加效率达到67.5%，漏压28 V时输出功率达到5.96 W/mm，功率性能十分出色。

该工作提出的GaN基射频常关型HEMT器件及制作方法为常关型器件的射频应用提供了一种有前景的解决方案。

 

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