新加坡研究人员称,以低压(LV)高频性能为目标的硅(Si)基氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)在饱和输出功率(Psat)上达到创纪录水平 [Hanchao Li et al, IEEE Electron Device Letters, published online 21 October 2024]。


研究团队由新加坡国家氮化镓技术中心(NGTC)、新加坡微电子研究所(IME)、新加坡-麻省理工学院科研与技术联盟、新加坡国立大学联合而成。相较于传统的单异质结构(SH)器件,该团队就他们的双异质结构(DH)发表了评论:“迄今为止,所有经报告的演示器件都是使用单异质结构外延实现的,而且大多数都使用了缩短很多的栅极(Lg<100nm)。相比之下,我们所提出的晶体管使用更长的栅极(Lg=120nm)和传统的欧姆及栅极工艺,实现了卓越的性能。”


研究人员认为,第五代(5G)频率范围2(FR2)手机的高发射功率尤其具备巨大潜力,其目标是高上行/下行链路速率(峰值为10/20千兆比特/秒)。FR2涵盖24.25-71.0GHz,而FR1低于7GHz。有人提议将7-24.25GHz这一缺口作为5G FR3,但未获批准。该团队表示,GaN/Si HEMT方案“在功率放大方面具有GaN的优点,而且可以采用直径高达300mm的晶圆”。


要追求高功率、高频率性能,往往需要更短的栅极长度,但这种器件会受到一系列“短沟道效应”(SCE)的负面影响,短沟道效应会降低缩小型晶体管有望实现的频率性能提升。


双异质结构由氮化铝(AlN)顶部势垒和AlGaN底部势垒围住的GaN沟道组成。单异质结构器件只有将载流子限制在沟道中的顶部势垒。


研究人员就双异质结构HEMT结构评论道:“先前工作已经研究过这种异质结构在更高压功率放大中的应用。然而,据作者所知,双异质结构HEMT在低压功率放大方面的潜力仍有待开发。”

图1:(a)AlN/GaN/AlGaN双异质结构HEMT的截面示意图。(b)异质结构的扫描透射电子显微镜(STEM)图像。(c)双异质结构与传统单异质结构的能带图。(d)通过能量色散X射线光谱(EDX)得出的异质结构元素组成。

双异质结构HEMT材料是通过金属有机化学气相沉积技术在高电阻率硅(HR-Si)上生长出来的(图1)。该结构包含一层原位氮化硅(SiN)层,以减少通过AlN薄势垒层的栅极漏电流。缓冲层的厚度为1μm。


AlGaN底部势垒的铝含量为8%。正如1D Schrodinger−Poisson能带结构计算指出的那样,底部势垒的设计是为了增加器件沟道区的载流子约束。根据霍尔测量的结果,方块载流子密度为1.7x1013/cm2,迁移率为1400cm2/V-s。方块电阻为260Ω/□。


器件的制作从钛/铝/镍/金组成的源极/漏极接触开始,然后用等离子体台面刻蚀进行隔离。T型栅极由镍/金组成。通过原子层沉积制备10nm氧化铝(Al2O3)薄层作为钝化层后,完成了HEMT的制作。


研究人员评论道:“ALD-Al2O3薄钝化层可以降低寄生电容,同时避免与PECVD工艺相关的等离子体诱导损伤,从而为器件的接入区提供更有效的保护。”


测试器件的尺寸包括120nm的栅极长度、位于中央的栅极与源极接触和漏极接触之间690nm的间距、2x16μm的栅极宽度。设计相对较小的宽度是为了避免自热效应,以便更好地评估双异质结晶体管设计的内在性能。


最大漏极电流为1.9A/mm,导通电阻为1.5Ω-mm,峰值跨导为0.66S/mm。阈值为负(-2.9V),表明是常开/耗尽工作模式。三端击穿电压为49V,估计击穿电场为0.327MV/cm。


研究人员评论道:“击穿机制归因于源极-漏极穿通,而源极-漏极穿通得益于浮栅结构的设计和原位SiN的高质量。”


小信号频率性能测量结果显示,在5V偏压(Vd)和-2.5V栅极电位(Vg)下,截止频率(fT)为145GHz,最大振荡频率(fmax)为195GHz。偏压高于3V时,fT/fmax值分别在140-150/190-200GHz之间。截止频率与栅极长度的乘积为17.4GHz-μm,最大振荡频率与栅极长度的乘积为23.4GHz-μm,都算较高。将截止乘积乘以2π可粗略估算出载流子饱和速度为1.1x107cm/s。

图2:(a)功率扫描。(b)负载牵引性能与Vds的关系。(c)低压5G FR2工作时Psat与Vds的关系的基准。(d)已报告的FR1、FR2和FR3低压GaN-on-Si晶体管的vsat与Vknee(通过源极/漏极分离归一化)的比较。

在30GHz基频连续波(CW)下,通过在片负载牵引测量来评估大信号功率能力(图2)。饱和输出功率(Psat)为1.3W/mm,功率附加效率(PAE)为32%,增益为3.7dB。峰值功率附加效率为42%,输出功率(Pout)为1.1W/mm,增益为7.3dB。


将偏压降至3.5V时,峰值功率附加效率略微升高,达到43%,输出功率为0.52W/mm,增益为7.2dB。


Psat值以近似线性的速度增加到15V偏压,达到4.0W/mm。研究人员评论道:“峰值功率附加效率下降,主要原因是陷阱的效应增强、非最佳匹配条件导致可用负载阻抗调谐受限。”


研究人员认为,在优化钝化、进一步缩放尺寸、设计欧姆接触等方面还有改进的余地。他们还建议,实现正阈值电压,从而实现常关/增强工作模式,将有利于手机部署。


来源:雅时化合物半导体

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