美國加州大學(xué)洛杉磯分校 （UCLA） 和密歇根大學(xué)安娜堡分校聲稱增強(qiáng)模式 N 極性深凹槽 （NPDR） 氮化鎵 （GaN） 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 具有破紀(jì)錄的小信號性能 [Oguz Odabasi 等人，IEEE 電子器件快報(bào)，2025 年 7 月 3 日在線發(fā)表]。特別是，122GHz 的高頻率T截止頻率可實(shí)現(xiàn) 9.1GHz-μm f 的高值TxLG盡管柵極長度很短，但品質(zhì)因數(shù)很短 （LG).

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該器件結(jié)構(gòu)在高頻、高功率應(yīng)用中很有前途。研究人員認(rèn)為 N 極性氮化鎵的優(yōu)勢包括“固有的反阻特性、柵到溝道距離的更好可擴(kuò)展性以及更容易形成高質(zhì)量的歐姆觸點(diǎn)”。

深凹陷可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模式/常關(guān)作，0V柵極電位表示關(guān)斷狀態(tài)。這避免了“柵極偏置故障和意外激活的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在高壓應(yīng)用中”。常關(guān)器件的其他優(yōu)點(diǎn)包括故障安全和更簡單的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?。該團(tuán)隊(duì)看到了在數(shù)據(jù)服務(wù)器和圖形環(huán)境中部署供電系統(tǒng)的潛在潛力。

NPDR GaN HEMT材料通過等離子體輔助分子束外延（PAMBE）在N極軸上GaN襯底上生長（圖1）。使用 N 極需要 ALGaN勢壘低于Ga極性結(jié)構(gòu)，而不是高于GaN通道層。與通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 （MOCVD） 生長的 HEMT 材料不同，ALGaN 沒有摻雜硅。

圖1：（a）器件示意圖，以及（b）ALE和濕法蝕刻后凹陷柵極區(qū)域的表面原子力顯微鏡掃描。

歐姆源極和漏極由無凹陷再生的 MBE n-GaN 組成。該裝置通過臺面蝕刻和離子注入相結(jié)合進(jìn)行分離。+

柵極的深凹槽是通過由等離子體增強(qiáng)CVD二氧化硅組成的硬掩模進(jìn)行原子層蝕刻，然后濕法蝕刻以去除等離子體損傷來實(shí)現(xiàn)的。凹槽在柵極腳和 AL 之間留下了 5nm 的 GaNG一個(gè) N 后屏障。

硬掩模還用于實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)柵極沉積過程。柵極電介質(zhì)為250°C等離子體增強(qiáng)原子層沉積硅酸鉿（HfSiO），二氧化硅/二氧化鉿比為3：2。門金屬是鉑金/金。源極/漏極觸點(diǎn)的金屬是鈦/金。

HEMT 具有 75nm 的柵極基極長度 （LG）、450nm“T”型頂部、300nm源柵和2μm柵漏距離。器件柵極寬度為100μm。

在+4V柵極電位的直流工作中，峰值飽和漏極電流密度為1.5A/mm，拐點(diǎn)電壓為2V。器件閾值為+0.8V，提供增強(qiáng)/常關(guān)工作模式。在+1.5V柵極電位和3V漏極偏置下，峰值跨導(dǎo)為550mS/mm。

該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說：“柵極漏電流小于 10nA/mm 表明 HfSiO 柵極電介質(zhì)的有效電流阻斷。由于緩沖漏電流較高，關(guān)斷態(tài)漏極電流為~100μA/mm。目前來源尚不清楚，將通過進(jìn)一步優(yōu)化外延設(shè)計(jì)來減少。

正向偏置柵極擊穿在6V柵極電位和0V漏極時(shí)。三端斷態(tài)擊穿電壓在30V左右。

在 15V 下進(jìn)行脈沖應(yīng)力，然后在 8V 漏極偏置下進(jìn)行測量，顯示 21% 的電流崩潰，被該團(tuán)隊(duì)視為“相對較低”。研究人員評論道：“雖然可以進(jìn)一步降低色散，但與標(biāo)準(zhǔn) MOCVD N 極性 GaN HEMT 相比，這項(xiàng)工作是朝著簡化勢壘結(jié)構(gòu)邁出的重要一步，后者需要組合分級和硅摻雜的結(jié)合。

外推截止值 （fT）和最大振蕩（f麥克斯）小信號測量的頻率分別為122GHz和145GHz（圖2）。75nm 器件有一個(gè) fTxLG質(zhì)量因數(shù)為 9.1GHz-μm。更長的門長可以實(shí)現(xiàn)更好的通道控制，從而實(shí)現(xiàn)更高的品質(zhì)因數(shù)。

圖 2：（a） 不同柵極長度的小信號結(jié)果，以及 （b） fTxLG增強(qiáng)模式 ALGaN/GaN HEMT。

在評論與其他作品的基準(zhǔn)比較時(shí)，該團(tuán)隊(duì)寫道：“75nm L 的設(shè)備G與具有類似 L 的設(shè)備相比，表現(xiàn)出最高的性能G.在這項(xiàng)工作中，具有其他門長的器件也表現(xiàn)出頂級性能。值得注意的是，比較中很少有增強(qiáng)模式器件可以支持負(fù)載牽引測量。

研究人員在 10GHz 下進(jìn)行了 Maury 無源負(fù)載牽引研究，靜態(tài)漏極電壓 （VDQ）和電流（IDQ）分別為18V和120mA/mm，而靜態(tài)柵極電位（VGQ網(wǎng)站）為+3V（圖3）。

圖 3：負(fù)載拉動(dòng)結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說：“V 越高DQ，低于預(yù)期的 VGQ網(wǎng)站被使用，可能是由于排水管引起的屏障降低。

輸出功率密度為2.7W/mm，漏極效率（DE）和功率附加效率（PAE）分別為55%和46%。

研究人員評論道：“在這些器件中觀察到高斷態(tài)漏電流，這可能是導(dǎo)致效率值低于預(yù)期的原因。盡管如此，成功的負(fù)載牽引測量在增強(qiáng)模式作方面取得了令人印象深刻的結(jié)果。