具有AlN势垒和AlGaN背势垒的硅基GaN HEMT在电池兼容电压下提供突破性的输出功率

新加坡的一个工程师团队声称，他们通过研究低压硅基GaN HEMT的双异质结构设计的潜力，开辟了新的天地。

这些研究人员认为，这类晶体管是5G频率范围2频段功率

具备 AlN 势垒与 AlGaN 背势垒的硅基 GaN HEMT 于电池兼容电压下呈献突破性的输出功率。新加坡的一支工程师团队宣称，他们经由探究低压硅基 GaN HEMT 的双异质结构设计之潜能，开拓出全新的领域。这些研究人员笃信，此类晶体管乃是 5G 频率范围 2 频段功率放大的有力角逐者，该频段界定为超过 24GHz，其频带宽度逾 6GHz 以下频带的三倍有余。依凭经验，任何频带的最大数据速率与自身宽度成正比，这致使双异质结构 HEMT 成为高速上行链路和下行链路颇具吸引力的抉择。迄今，针对在低电压下运作的 GaN 器件（于手机中部署的基本需求）的探究努力始终局限于单异质结构。与此同时，双异质结构器件的发展仅出现于更高的电压下，其提供了卓越的载流子限制，并达成了高迁移率与高饱和速度。由南洋理工大学、A*STAR、新加坡麻省理工学院研究与技术联盟以及新加坡国立大学的工程师所制造的双异质结构器件的优势涵盖在 5G 频率范围 2 频段运行的低压硅基 GaN HEMT 那破纪录的饱和输出功率。该团队的 HEMT 之制造起始于将高电阻率硅基板置入 MOCVD 室中，沉积 1µm 厚的 GaN 缓冲层，继而是 150nm 厚的 AlGaN 背势垒、180nm 厚的 GaN 沟道、5nm 厚的顶部势垒以及 5nm 宽的 SiNx 层。依据工程师们的薛定谔 - 泊松计算，此种双异质结构确保了相较单异质结构更为优良的载流子限制。将外延晶片加工成器件牵涉添加 Ti/Al/Ni/Au 欧姆接触、通过台面蚀刻施行器件隔离、添加 Ni/Au T 形栅极，以及借由原子层沉积 10nm 厚的 Al2O3 层达成钝化。这些晶体管的栅极长度为 120nm，栅源和栅漏间距为 690nm，源极到漏极间距为 1.5µm，针对这些晶体管的测量表明，最大漏极电流为 1.9a mm-1，导通电阻为 1.5Ωmm，最大跨导为 0.66S mm-1。HEMT 的截止频率为 145GHz，最大振荡频率为 195GHz。在 30GHz 和 5V 下评估的大信号性能，涉及运用晶片 上负载拉力测量，确定饱和输出功率为 1.3W mm-1（16.12dBm），相关功率附加效率为 32%，增益为 3.7dB。该团队负责人 Geok Ing Ng 向 Compound Semiconductor 透露，他们的 HEMT 的尺寸处于用于手机的恰当范畴内。“我们认为，100nm 至 120nm 的栅极长度将契合实际的毫米波手机应用。此乃综合考量晶体管的短沟道效应、制造复杂性以及产量等要素所致。”

放大的有力候选者，该频段定义为超过24 GHz，其频带宽度是6 GHz以下频带的三倍多。根据经验，任何频带的最大数据速率与其宽度成正比，这使得双异质结构HEMT成为高速上行链路和下行链路的有吸引力的选择。

到目前为止，研究在低电压下工作的GaN器件（部署在手机中的基本要求）的努力一直局限于单异质结构。同时，双异质结构器件的发展只发生在更高的电压下，它提供了优异的载流子限制，并实现了高迁移率和高饱和速度。

由南洋理工大学、A*STAR、新加坡麻省理工学院研究与技术联盟和新加坡国立大学的工程师制造的双异质结构器件的优势包括在5G频率范围2频段运行的低压硅基GaN HEMT的破纪录饱和输出功率。

该团队的HEMT的制造始于将高电阻率硅基板装入MOCVD室中，沉积1µm厚的GaN缓冲层，然后是150 nm厚的AlGaN背势垒、180 nm厚的GaN沟道、5 nm厚的顶部势垒和5 nm宽的SiNx层。根据工程师们的薛定谔-泊松计算，这种双异质结构确保了比单异质结构更好的载流子限制。

将外延晶片加工成器件涉及添加Ti/Al/Ni/Au欧姆接触、通过台面蚀刻进行器件隔离、添加Ni/Au T形栅极，以及通过原子层沉积10nm厚的Al2O3层实现钝化。

这些晶体管的栅极长度为120 nm，栅源和栅漏间距为690 nm，源极到漏极间距为1.5µm，对这些晶体管的测量显示，最大漏极电流为1.9 a mm-1，导通电阻为1.5Ωmm，最大跨导为0.66 S mm-1。HEMT的截止频率为145GHz，最大振荡频率为195GHz。

在30 GHz和5 V下评估的大信号性能，涉及使用晶片上负载拉力测量，确定饱和输出功率为1.3 W mm-1（16.12 dBm），相关功率附加效率为32%，增益为3.7 dB。

该团队负责人Geok Ing Ng告诉Compound Semiconductor，他们的HEMT的尺寸在用于手机的正确范围内。“我们认为，100 nm至120 nm的栅极长度将满足实际的毫米波手机应用。这是考虑到晶体管的短沟道效应、制造复杂性和产量等因素。”

然而，他说，这些晶体管的横向缩放没有障碍，可以提高在更高频率（如W波段）下的性能。“我们使用‘激进缩放’一词来泛指横向缩放。值得注意的是，源极-漏极间距——目前为1.5µm——可以减小。”

该团队的下一个目标之一是对低压毫米波硅基GaN HEMT进行全面研究，考虑外延和器件设计。“通过对晶体管进行积极的横向缩放，我们希望探索GaN-on-silicon HEMT在更高频率（如W波段）下的性能极限。”

另一个目标是超越单纯关注HEMT的输出功率，开始研究其他规格，如线性度，这是RF前端的一个重要指标。

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