功率放大器 (PA) 技术对于国防和商业领域毫米波 (mm-wave) 通信系统的未来至关重要。这些毫米波频率下的大气衰减很高,因此需要能够抵消这种影响的高功率 PA。氮化镓高电子迁移率晶体管 (GaN HEMT) 凭借其宽带隙和高电子速度,已成为在毫米波频率下提供高功率的主要竞争者。为了改进传统的 GaN HEMT 异质结构,我们之前在氮化铝 (AlN) 平台 [1] 上引入了 HEMT,使用 AlN/GaN/AlN 异质结构。二元 AlN 的最大化带隙可防止缓冲器漏电流并增加 HEMT 击穿电压,同时还提供更高的热导率以增强通道温度管理。此外,GaN 增加的极化偏移允许高度缩放的顶部势垒,同时仍能诱导高密度二维电子气 (2DEG)。我们最近展示了 RF AlN/GaN/AlN HEMT 中高达 2 MV/cm 的高击穿电压 [2],以及这些 HEMT 在 6 GHz 下的 RF 功率操作,功率附加效率为 55%,输出功率 ( ) 为 2.8 W/mm [3]。在这项工作中,我们展示了 AlN/GaN/AlN HEMT 的首次毫米波频率操作,显示峰值 PAE = 29%,相关 = 2.5 W/mm 和 = 7 dB 在 30 GHz 下。
摘要 — 本研究展示了 Si 衬底上 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的高频和高功率性能。使用 T 栅极和 n ++ -GaN 源/漏接触,栅极长度为 55 nm、源漏间距为 175 nm 的 InAlN/GaN HEMT 的最大漏极电流 ID,MAX 为 2.8 A/mm,峰值跨导 gm 为 0.66 S/mm。相同的 HEMT 表现出 250 GHz 的正向电流增益截止频率 f T 和 204 GHz 的最大振荡频率 f MAX。ID,MAX、峰值 gm 和 f T -f MAX 乘积是 Si 上 GaN HEMT 中报道的最佳乘积之一,非常接近最先进的无背势垒 SiC 上耗尽型 GaN HEMT。鉴于 Si 的低成本和与 CMOS 电路的高兼容性,Si 上的 GaN HEMT 对于成本敏感的应用特别有吸引力。
基于半导体异质结构的 GaN 器件:两种半导体材料的分层序列,其特征是带隙不连续 通过在 GaN 衬底上沉积一层薄薄的 AlGaN 来形成异质结构。
Alfred Hesener 是 Navitas Semiconductor 公司工业和消费应用高级总监,该公司位于美国加利福尼亚州托伦斯,位于德国慕尼黑。他目前的工作重点是利用宽带隙半导体推动工业电源转换和电动机应用领域的发展。曾任英飞凌科技工业产品部应用工程和产品定义主管,以及飞兆半导体区域营销和应用工程主管。他拥有达姆施塔特工业大学微电子学硕士学位。
最近,具有 25 nm T 栅极的 InP 基高电子迁移率晶体管 (HEMT) 已被证明可在 1.1 THz 下放大 [1],这使得传统电子设备在太赫兹应用方面比光学设备更具竞争力。尽管积极推动 T 栅极的占用空间变得更短以实现更高的工作频率现已成为热门研究课题,但针对 100 nm 以下 T 栅极的稳健且经济高效的 T 栅极工艺仍然是行业的首要任务。在本文中,我们将展示格拉斯哥大学在超短 T 栅极工艺开发方面的最新进展。该工艺涉及在 PMMA/LOR/CSAR 三层 EBL 光刻胶堆栈上进行单次电子束光刻 (EBL) 曝光。通过仔细控制光刻胶厚度、电子束剂量以及适当的显影剂和显影时间,我们开发了一种可靠且稳健的工艺,用于具有各种脚和头长度的 T 栅极。图 1 显示了 GaAs 半绝缘基板上典型 T 栅极的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。与最先进的 T 门工艺[3][4]相比,新工艺具有多项优势,并且有可能将 HEMT 的 THz 操作占用空间进一步缩小至 20 纳米以下。我们将在会议上更详细地阐述该工艺。
2.2.1 Gate Characteristics and the Auxiliary HEMT .................................................................................................. 6 2.2.2 Miller Clamp ..................................................................................................................................................... 7 2.2.3 NL 3 Circuit and H2 No Load Consumption ....................................................................................................... 7 2.2.4 Current Sense HEMT ........................................................................................................................................ 8 2.3 Ease of Use .............................................................................................................................................................. 8 3 Using ICeGaN ™ ...................................................................................................................................................... 10
通过AlGaN/GaN/InGaN结构实现8 W mm 1,通过N极性GaN HEMT实现94 GHz时8 W mm 1 [3]。这些结果对于商业(5G及以上、汽车雷达)和国防(SATCOM、雷达)应用越来越重要,所有这些应用都在向毫米波频率范围(30 – 300 GHz)推进。为了进一步提高GaN HEMT的优势,我们的研究小组在氮化铝(AlN)缓冲层上引入了HEMT。[4 – 6]通过用AlN替换AlGaN顶部势垒并用AlN替换典型的GaN缓冲层,AlN/GaN/AlN异质结构具有更高的热导率、改善了薄GaN通道(<30nm)的载流子限制,并且与其他传统顶部势垒材料(如AlGaN或InAlN)相比,顶部势垒具有出色的垂直可扩展性。其他研究小组也展示了基于AlN 的器件的有希望的结果,包括基于AlN 衬底的HEMT,在X 波段实现15 W mm 1 [7] ,AlN 缓冲区击穿功率为 5 MV cm 1 [8] 。已经展示了使用AlN 顶部势垒的HEMT,包括GaN HEMT 记录f T = f max 为454/444 GHz,[9 – 11] PAE 为27% ,相关输出功率为1.3 W的W 波段功率放大器,[12] 噪声系数小于2的K a 波段低噪声放大器,[13] 以及40 GHz 时为4.5 W mm 1 [14] 。所有这些器件都基于AlN/GaN/AlGaN 异质结构。 AlN/GaN HEMT 已显示出 Ga 极性 HEMT 在 W 波段的创纪录输出功率,在 94 GHz 时 P out ¼ 4 W mm 1。[15] 除了射频 (RF) HEMT 之外,氮化铝还具有单片集成大电流 GaN/AlN p 型场效应晶体管 (pFET) [16 – 18] 和晶体 AlN 体声波滤波器 [19] 的潜力,这两者都是通过 AlN 缓冲层实现的。SiC 衬底以衬底集成波导 (SIW) 和天线的形式实现了进一步的集成。[20] 这种集成生态系统被称为 AlN 平台,使高功率氮化物互补金属氧化物半导体 (CMOS)、RF 滤波器、单片微波集成电路 (MMIC) 以及 RF 波导和天线共存于一个单片芯片上。[21]
摘要 本文通过对有源区耗尽层的分析,首次得出AlGaN/GaN HEMT中耗尽层过程不同于硅功率器件的结论。基于AlGaN/GaN HEMT这种特殊的破坏原理,提出了一种新的RESURF AlGaN/GaN HEMT结构,以降低表面电场,提高击穿电压。该结构在极化AlGaN层中引入两个不同的负电荷区,通过耗尽2DEG来降低高边缘电场;在近漏极加入正电荷,首次降低了漏极高电场峰值。应用ISE仿真软件,在器件中验证了虚拟栅极效应。
电子产品中的辐射损伤减轻仍然是一个挑战,因为唯一成熟的技术——热退火,并不能保证获得良好的结果。在本研究中,我们介绍了一种非热退火技术,其中使用来自非常短持续时间和高电流密度脉冲的电子动量来瞄准和调动缺陷。该技术在 60 Co 伽马辐照(5 × 10 6 拉德剂量和 180 × 10 3 拉德 h − 1 剂量率)GaN 高电子迁移率晶体管上进行了演示。在 30 °C 或更低温度下,饱和电流和最大跨导完全恢复,阈值电压部分恢复。相比之下,300 °C 下的热退火大多使辐照后特性恶化。拉曼光谱显示缺陷增加,从而降低了二维电子气 (2DEG) 浓度并增加了载流子散射。由于电子动量力不适用于聚合物表面钝化,因此所提出的技术无法恢复栅极漏电流,但性能优于热退火。这项研究的结果可能有助于减轻电子器件中某些形式的辐射损伤,而这些损伤很难通过热退火实现。© 2022 电化学学会(“ ECS ” )。由 IOP Publishing Limited 代表 ECS 出版。[DOI:10.1149/2162-8777/ ac7f5a ]
A. 具有 MBE 再生长 P-GaN 栅极的常关型 HEMT HEMT 结构的特点是具有 25 nm 厚的 AlGaN 势垒和 20 % 的铝率。首先,通过 PECVD(等离子增强气相沉积)沉积 100 nm 厚的氧化硅 SiO 2 层,作为 AlGaN 栅极蚀刻和选择性 GaN 再生长的掩模。在用 CF 4 RIE 蚀刻 SiO 2 层以确定栅极区域之后,通过 ICPECVD 对 AlGaN 层进行 Cl 2 部分蚀刻,条件如下:RF 功率为 60 W、压力为 5 mTorr 并且 Cl 2 流速为 10 sccm。蚀刻时间为 35 秒,去除了 19 nm 的 AlGaN。然后在 MBE(分子束外延)反应器中重新生长用镁(Mg)掺杂的 50 nm GaN 层,其标称受体浓度为 Na-Nd 为 4 x 10 18 cm -3。