近日，美國(guó)射頻初創(chuàng)公司Soctera聯(lián)合射頻器件巨頭Qorvo，展示了一種在商業(yè)射頻代工廠制造的AlN/GaN/AlN結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管（HEMT）。該器件采用氮化鎵（GaN）溝道層，上下分別由超寬禁帶氮化鋁（AlN）勢(shì)壘層與緩沖層夾持。這類結(jié)構(gòu)此前多停留在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，此次實(shí)現(xiàn)代工廠工藝兼容，被視為其邁向產(chǎn)業(yè)化的重要一步。
研究團(tuán)隊(duì)指出，這一進(jìn)展類似于20世紀(jì)90年代GaN HEMT技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的歷程。AlN/GaN/AlN結(jié)構(gòu)的成功流片，意味著AlN緩沖層HEMT技術(shù)開(kāi)始具備量產(chǎn)基礎(chǔ)，有望成為未來(lái)超寬禁帶射頻電子平臺(tái)的核心候選方案。尤其在Ka波段（27–40 GHz）功率放大應(yīng)用中，該技術(shù)展現(xiàn)出明顯潛力。
在應(yīng)用層面，該器件面向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、高分辨率近程雷達(dá)等Ka波段系統(tǒng)，同時(shí)也具備拓展至5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的可能。AlN材料較GaN高出約30%的熱導(dǎo)率，使其在高功率密度放大場(chǎng)景中具備更優(yōu)熱管理能力，這對(duì)于毫米波功率器件尤為關(guān)鍵。
材料外延方面，研究人員采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，在100 mm商用碳化硅（SiC）晶圓上生長(zhǎng)金屬極性AlN/GaN/AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。SiC襯底具備高熱導(dǎo)率、與III族氮化物良好的外延匹配性，以及可擴(kuò)展至200 mm的大尺寸潛力，是當(dāng)前射頻GaN-on-SiC的主流工藝路線。GaN溝道層厚度小于200 nm。
圖1. (a) AlN/GaN/AlN HEMT的截面結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 采用傳輸線法測(cè)量的100毫米晶圓上均勻的薄層電阻分布圖。
電學(xué)測(cè)試顯示，在AlN勢(shì)壘層下形成的二維電子氣（2DEG）平均薄層電阻為434 Ω/□，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，非接觸式測(cè)量結(jié)果為442 Ω/□，均勻性優(yōu)異。霍爾測(cè)試得到載流子濃度1.26×1013/cm2，遷移率124 cm2/V·s，表明該異質(zhì)結(jié)構(gòu)具備穩(wěn)定的溝道特性。
器件方面，團(tuán)隊(duì)制備了柵長(zhǎng)150 nm的HEMT，柵寬為2×40 μm。通過(guò)在源漏區(qū)再生長(zhǎng)重?fù)焦鑞++-GaN層，將接入電阻降低至0.09 Ω·mm。器件實(shí)現(xiàn)約10?數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)比，峰值跨導(dǎo)達(dá)643 mS/mm，晶圓上最高值達(dá)到736 mS/mm，被認(rèn)為是同類尺寸III族氮化物HEMT中的領(lǐng)先水平。
器件夾斷電壓為-2 V，最大漏極電流約1.5 A/mm。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，3 nm超薄AlN勢(shì)壘層配合器件縱橫向微縮，有助于實(shí)現(xiàn)高效率毫米波運(yùn)行。20 V漏極偏壓下進(jìn)行一小時(shí)應(yīng)力測(cè)試，漏極電流僅下降約10%，未出現(xiàn)燒毀，顯示出AlN/GaN/AlN材料體系的良好可靠性。
在動(dòng)態(tài)特性方面，器件存在約36%的電流崩塌，并出現(xiàn)明顯漏極滯后，主要源于表面態(tài)俘獲效應(yīng)。研究人員指出，可通過(guò)優(yōu)化氮化硅鈍化層，或在2DEG溝道上方生長(zhǎng)薄GaN或AlN鈍化層，將色散降低至約5%。相關(guān)工藝仍需進(jìn)一步權(quán)衡與優(yōu)化。
射頻性能測(cè)試顯示，小信號(hào)截止頻率（fT）為45 GHz，最高振蕩頻率（fmax）達(dá)174 GHz。大信號(hào)負(fù)載牽引測(cè)試結(jié)果表明，在峰值效率點(diǎn)，器件功率附加效率為32%，功率密度2.68 W/mm，增益7.3 dB，漏極效率達(dá)42%。整體表現(xiàn)與此前學(xué)術(shù)報(bào)告的Ka波段AlN/GaN/AlN器件水平相當(dāng)。
研究團(tuán)隊(duì)指出，在11 dB未壓縮增益條件下，器件輸出功率受限于表面態(tài)色散導(dǎo)致的提前增益壓縮。盡管如此，此次在商業(yè)代工環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高性能AlN/GaN/AlN HEMT，已驗(yàn)證其工藝兼容性與可制造性，為其向超寬禁帶射頻規(guī)模化應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。
