N极深凹槽E型氮化镓HEMT

美国加州大学洛杉矶分校 （UCLA） 和密歇根大学安娜堡分校声称增强模式 N 极性深凹槽 （NPDR） 氮化镓 （GaN） 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 具有破纪录的小信号性能 [Oguz Odabasi 等人，IEEE 电子器件快报，2025 年 7 月 3 日在线发表]。特别是，122GHz 的高频率T截止频率可实现 9.1GHz-μm f 的高值TxLG尽管栅极长度很短，但品质因数很短 （LG).

该团队认为该器件结构在高频、高功率应用中很有前途。研究人员认为 N 极性氮化镓的优势包括“固有的反阻特性、栅到沟道距离的更好可扩展性以及更容易形成高质量的欧姆触点”。

深凹陷可实现增强模式/常关作，0V栅极电位表示关断状态。这避免了“栅极偏置故障和意外激活的风险，特别是在高压应用中”。常关器件的其他优点包括故障安全和更简单的驱动电路拓扑。该团队看到了在数据服务器和图形环境中部署供电系统的潜在潜力。

NPDR GaN HEMT材料通过等离子体辅助分子束外延（PAMBE）在N极轴上GaN衬底上生长（图1）。使用 N 极需要 ALGaN势垒低于Ga极性结构，而不是高于GaN通道层。与通过金属有机化学气相沉积 （MOCVD） 生长的 HEMT 材料不同，ALGaN 没有掺杂硅。

图1：（a）器件示意图，以及（b）ALE和湿法蚀刻后凹陷栅极区域的表面原子力显微镜扫描。

欧姆源极和漏极由无凹陷再生的 MBE n-GaN 组成。该装置通过台面蚀刻和离子注入相结合进行分离。+

栅极的深凹槽是通过由等离子体增强CVD二氧化硅组成的硬掩模进行原子层蚀刻，然后湿法蚀刻以去除等离子体损伤来实现的。凹槽在栅极脚和 AL 之间留下了 5nm 的 GaNG一个 N 后屏障。

硬掩模还用于实现自对准栅极沉积过程。栅极电介质为250°C等离子体增强原子层沉积硅酸铪（HfSiO），二氧化硅/二氧化铪比为3：2。门金属是铂金/金。源极/漏极触点的金属是钛/金。

HEMT 具有 75nm 的栅极基极长度 （LG）、450nm“T”型顶部、300nm源栅和2μm栅漏距离。器件栅极宽度为100μm。

在+4V栅极电位的直流工作中，峰值饱和漏极电流密度为1.5A/mm，拐点电压为2V。器件阈值为+0.8V，提供增强/常关工作模式。在+1.5V栅极电位和3V漏极偏置下，峰值跨导为550mS/mm。

该团队报告说：“栅极漏电流小于 10nA/mm 表明 HfSiO 栅极电介质的有效电流阻断。由于缓冲漏电流较高，关断态漏极电流为~100μA/mm。目前来源尚不清楚，将通过进一步优化外延设计来减少。

正向偏置栅极击穿在6V栅极电位和0V漏极时。三端断态击穿电压在30V左右。

在 15V 下进行脉冲应力，然后在 8V 漏极偏置下进行测量，显示 21% 的电流崩溃，被该团队视为“相对较低”。研究人员评论道：“虽然可以进一步降低色散，但与标准 MOCVD N 极性 GaN HEMT 相比，这项工作是朝着简化势垒结构迈出的重要一步，后者需要组合分级和硅掺杂的结合。

外推截止值 （fT）和最大振荡（f麦克斯）小信号测量的频率分别为122GHz和145GHz（图2）。75nm 器件有一个 fTxLG质量因数为 9.1GHz-μm。更长的门长可以实现更好的通道控制，从而实现更高的品质因数。

图 2：（a） 不同栅极长度的小信号结果，以及 （b） fTxLG增强模式 ALGaN/GaN HEMT。

在评论与其他作品的基准比较时，该团队写道：“75nm L 的设备G与具有类似 L 的设备相比，表现出最高的性能G.在这项工作中，具有其他门长的器件也表现出顶级性能。值得注意的是，比较中很少有增强模式器件可以支持负载牵引测量。

研究人员在 10GHz 下进行了 Maury 无源负载牵引研究，静态漏极电压 （VDQ）和电流（IDQ）分别为18V和120mA/mm，而静态栅极电位（VGQ网站）为+3V（图3）。

图 3：负载拉动结果。

该团队报告说：“V 越高DQ，低于预期的 VGQ网站被使用，可能是由于排水管引起的屏障降低。

输出功率密度为2.7W/mm，漏极效率（DE）和功率附加效率（PAE）分别为55%和46%。

研究人员评论道：“在这些器件中观察到高断态漏电流，这可能是导致效率值低于预期的原因。尽管如此，成功的负载牵引测量在增强模式作方面取得了令人印象深刻的结果。