原文標(biāo)題
Foundry fabricated AlN-buffer HEMTs——Significant step towards industrial AlN/GaN/AlN transistors.

原文鏈接
https://www.semiconductor-today.com/features/PDF/semiconductor-today-sep-2025-Foundry.pdf
原文刊登于semiconductorTODAY • 第20卷 • 第7期 • 2025年9月

美國Soctera公司與射頻巨頭Qorvo公司的研究人員展示了一種在射頻代工工廠中制造的高電子遷移率晶體管（HEMT），其氮化鎵（GaN）溝道層夾在超寬帶隙氮化鋁（AlN）頂部和背部勢壘/緩沖層之間。此類器件此前已在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到驗(yàn)證，但研究人員表示：“這些結(jié)果證明了其與當(dāng)前GaN代工工藝的兼容性，代表了AlN/GaN/AlN基HEMT器件邁向技術(shù)成熟的重要一步。”

他們補(bǔ)充道：“這類似于GaNHEMT器件技術(shù)在20世紀(jì)90年代從學(xué)術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室躍遷至21世紀(jì)初的市場應(yīng)用，本項(xiàng)工作代表了AlN緩沖層HEMT器件技術(shù)邁出的重要一步，使其更接近于成為未來超寬帶隙射頻電子平臺中一個(gè)成熟的、可用于生產(chǎn)的候選技術(shù)。”

該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)其工作對于旨在用于Ka波段射頻（27-40 GHz）的功率放大系統(tǒng)尤為重要，例如應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和高分辨率近程目標(biāo)雷達(dá)。Soctera/Qorvo團(tuán)隊(duì)還指出了其在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心部署方面的潛力。

AlN/GaN/AlN異質(zhì)結(jié)的另一個(gè)可能對這些應(yīng)用有吸引力的特點(diǎn)是AlN更高的熱導(dǎo)率：相比GaN高出30%。在高功率密度放大中，熱管理成為關(guān)鍵因素。

研究人員采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法，在商業(yè)化的100 mm 碳化硅晶圓上生長了金屬極性的異質(zhì)結(jié)（圖1），這是射頻用GaN-on-SiC外延的典型工藝。GaN溝道層厚度小于200 nm。SiC作為襯底具有吸引力，歸因于其高熱導(dǎo)率、與III族氮化物材料系統(tǒng)更好的外延兼容性，以及可提供直徑高達(dá)200 mm的大尺寸晶圓。

圖1. (a) AlN/GaN/AlN HEMT的截面結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 采用傳輸線法測量的100毫米晶圓上均勻的薄層電阻分布圖。

根據(jù)傳輸線法測量，在AlN（AlN）勢壘層附近形成的二維電子氣（2DEG）中，其平均薄層電阻為434Ω/□，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%。而采用Lehighton非接觸式電阻映射技術(shù)測得的結(jié)果略高，為442Ω/□，其變化率小于1.5%。霍爾測量報(bào)告顯示，載流子濃度為1.26×10¹³/cm²，遷移率為124 cm²/V·s。

研究人員制造了一個(gè)柵長為150 nm的HEMT器件，其源/漏接觸區(qū)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法再生長了重度硅摻雜的n++-GaN，旨在將二維電子氣溝道的接入電阻降低至0.09 Ω-mm。該器件的柵極寬度由兩個(gè)40 μm的柵指構(gòu)成（2x40 μm）。

該器件實(shí)現(xiàn)了約10?數(shù)量級的開關(guān)電流比，其峰值跨導(dǎo)為643 mS/mm。研究人員報(bào)告稱：“在晶圓上測量得到的最大跨導(dǎo)值為736 mS/mm，據(jù)作者所知，這屬于已報(bào)道的柵長約為150 nm的III族氮化物半導(dǎo)體HEMT器件中最高的跨導(dǎo)值之一。”器件的夾斷電壓為-2 V，最大漏極電流約為1.5 A/mm。

該團(tuán)隊(duì)評論道：“高開關(guān)比與大跨導(dǎo)值相結(jié)合，共同證明了3 nm AlN勢壘層通過器件在垂直與水平方向上的尺寸微縮，從而在射頻晶體管中實(shí)現(xiàn)高效率毫米波（mm-wave）運(yùn)行的潛力。”

在20V漏極偏壓和0V柵壓條件下進(jìn)行長達(dá)一小時(shí)的應(yīng)力測試顯示，漏極電流從約100mA/mm的水平下降了10%。研究人員評論道：“初步測試表明，該器件僅表現(xiàn)出極小的性能退化，且未發(fā)生燒毀，這證明了AlN/GaN/AlN材料的魯棒性。”

該器件在脈沖條件下的性能與學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)告相似，其電流崩塌程度約為36%，并存在"顯著的漏極滯后"現(xiàn)象。研究人員指出，通過優(yōu)化氮化硅鈍化層以減少表面載流子俘獲，可能將色散降低至5%左右。

該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充道：“可通過將表面遠(yuǎn)離二維電子氣（2DEG）溝道來降低表面態(tài)對射頻（RF）性能的影響，具體方法包括生長一層薄GaN或AlN鈍化層。” 研究人員指出，這些以及其他方法需要深入研究，以權(quán)衡、優(yōu)化其中的各項(xiàng)參數(shù)。小信號頻率測量報(bào)告的截止頻率和最高振蕩頻率分別為45GHz和174GHz。

用于評估射頻功率性能的大信號負(fù)載牽引測量（圖2）結(jié)果顯示，在調(diào)諧至峰值效率時(shí)，該器件的功率附加效率為32%，相關(guān)功率密度為2.68 W/mm，增益為7.3 dB。其漏極效率達(dá)到42%。此前學(xué)術(shù)演示的AlN/GaN/AlN HEMT器件曾在30 GHz頻段范圍內(nèi)報(bào)告2.5 W/mm的功率密度。

圖2. AlN/GaN/AlN HEMT的大信號負(fù)載牽引測量結(jié)果

研究人員評論道：“這些結(jié)果與先前報(bào)道的AlN/GaN/AlN HEMT器件的Ka波段功率輸出性能相當(dāng)。在11 dB的未壓縮增益下，該HEMT器件的輸出功率受限于由表面態(tài)色散引起的增益壓縮過早開始。”

原文源于【semiconductorTODAY】官網(wǎng)