加快AlGaN HEMT的速度

据康奈尔大学研究人员称，AlGaN晶体管的速度已打破记录。该团队的HEMT具有T形栅极和Al_0.25Ga_0.75N沟道，截止频率f_T为67 GHz，最大振荡频率f_max为166 GHz。

这类晶体管的另一个优点是平均击穿场强超过2 MV cm^-1。这有助于确保约翰逊品质因数（击穿电压与f_T的乘积）的值较高，并凸显了这类器件在下一代大功率射频应用中的潜力。

AlGaN合金取代GaN成为HEMT的沟道大有可为，因为AlGaN合金的带隙更大，有可能提高击穿电压，同时不影响饱和速度，因此不妨碍晶体管的速度。然而，成功并非易事——沟道中铝含量增加，更难实现欧姆接触，而且额外的铝含量有可能导致低场迁移率，从而使片电阻和寄生延迟更高，阻碍器件的速度。

为了克服这些困难，研究团队采用了重新生长的欧姆接触来覆盖沟道侧壁，其中欧姆接触的成分经过精心挑选，可以最大限度地提高f_T、f_max、击穿电压。

研究团队生产的创纪录器件不含场板，这种设计有望为高压射频应用节约成本。

据代表研究团队发言的研究人员Eungkyun Kim称，增加场板可以提高击穿电压，通过分散漏极侧栅极边缘附近的峰值电场来降低射频分散效应，并最终在X波段实现较高的输出功率密度。“然而，由于场板造成额外寄生电容，在更高频率下进行功率放大可能具有挑战性。”

研究团队制作HEMT时，首先将半绝缘的6H-SiC衬底装入等离子体辅助MBE室，然后沉积1 mm厚的AlN层，接着是24 nm厚的Al_0.25Ga_0.75N沟道和15 nm厚的AlN缓冲层。电子束光刻技术界定出一个T形镍/金栅极，然后再添加一层SiN钝化层，确保更好进行分散控制。

对栅极长度为70 nm、源极到漏极宽度为600 nm的器件进行测量后发现，n⁺ GaN非合金欧姆接触的接触电阻为0.23 W mm，据称是AlGaN沟道HEMT中与二维电子气接触的最低值之一。

直流输出电导的值前所未有，表明存在短沟道效应，可以通过减薄顶部AlN势垒来抑制短沟道效应。

在栅极-源极电压为-4 V、漏极-源极电压为10 V的偏置条件下，产生的峰值跨导为0.1 S mm^-1。这些偏置条件也可用于获取f_T和f_max值。

栅极到漏极的距离为260 nm时，HEMT的击穿电压为59 V，相当于平均击穿场强超过2 MV cm^-1。

对该器件进行基准测试后发现，f_T和f_max的平均几何均数为105 GHz，大大高于先前报告的所有结果（见上图，数据点旁边的数字分别代表顶部势垒和沟道层中的铝含量）。

目前，研究团队正在考虑改用氮极性异质结构，以改善AlGaN沟道HEMT的欧姆接触。这一改动会去除沟道顶部的电绝缘AlN层，有望为AlGaN制造欧姆接触。

参考文献

E. Kim et al. Appl. Phys. Express. 16 111003 (2023)