中國科學院在氮化鎵低壓射頻器件領域取得新進展

近年來，5G通信應用向手機等移動終端場景深度拓展，對低壓高性能射頻功率放大器（PA）的需求日益迫切。氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）因其高電子飽和速率和優異的二維電子氣（2DEG）輸運特性，已成為實現高性能射頻前端的理想選擇。然而，常規GaN器件存在較高的膝點電壓，嚴重制約了其在低壓條件下的射頻輸出性能。針對這一問題，國際上的常規做法是采用強極化異質結（如InAlN/GaN、AlN/GaN等）以及“深度縮放”工藝路線，對加工精度要求較高。

近日，蘇州納米所孫錢研究員團隊成功研制出一種基于AlGaN/GaN異質結的硅基氮化鎵“近無接入區”金屬-絕緣體-半導體高電子遷移率晶體管（MIS-HEMT）器件，基于結構創新，在較為寬松的加工精度條件下，有效降低了膝點電壓，并在低壓應用中展現出卓越的直流與射頻性能。

研究團隊通過將源漏極歐姆接觸區域延伸至柵極邊緣，并采用n??-GaN二次外延技術，有效抑制了常規器件中由非柵控2DEG區域引入的接入區電阻，進而顯著提升了器件的輸出特性。該器件在550 nm柵長下，實現了2.11 A/mm的飽和電流密度、300 mS/mm的峰值跨導以及0.61 Ω·mm的低導通電阻，歐姆接觸電阻低至0.09 Ω·mm。

在3.5 GHz頻段的負載牽引測試中，器件在5 V漏極電壓下輸出功率密度達0.81 W/mm，線性增益10.5 dB，峰值功率附加效率（PAE）為19.4%。尤為值得關注的是，在射頻功率應用場景下，通過線性外推法提取得到器件的膝點電壓僅0.75 V，是目前已公開報道的低壓GaN射頻器件中的最優值。下一步將通過選區生長高阻GaN、抬升T柵等方面的研究，進一步提升器件性能。

圖1 硅基氮化鎵近無接入區MIS-HEMT器件結構截面示意圖

圖2 硅基氮化鎵近無接入區MIS-HEMT器件結構的（a）轉移特性（b）輸出特性（c）三端口漏電特性（d）三端口關態擊穿特性

圖3 硅基氮化鎵近無接入區MIS-HEMT器件結構（a）3.5 GHz下基于負載牽引測試的射頻功率特性（b）膝點電壓外推結果

該研究成果以AlGaN/GaN MIS-HEMT Nominally Free of Access Regions on Si for Low-Voltage RF Applications為題發表于國際微波射頻領域權威期刊IEEE Microwave and Wireless Technology Letters。論文第一作者為張新堃博士，現為團隊在站博士后。

本研究與團隊前期在國際微電子領域期刊Semiconductor Science and Technology上發表的另一項研究工作（Impact of eliminating ungated access regions on DC and thermal performance of GaN-based MIS-HEMT）關系密切。在前期研究中，團隊系統地揭示了接入區對GaN器件電學與熱學性能的影響機制，指出：抑制接入區有望顯著提升器件的低壓輸出特性。以此為基礎，本研究進一步提出并驗證了一種區別于常規“深度縮放”的低壓射頻器件工藝路線，通過有效抑制接入區電阻，實現了膝點電壓的有效控制乃至器件整體射頻輸出特性的提升，為低壓Sub-6GHz射頻前端芯片的發展提供了新思路。

相關工作得到了國家重點研發計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、江蘇省重點研發計劃、蘇州市科技計劃等多個項目的支持。相關器件制備與測試在蘇州納米所納米加工平臺、納米測試分析平臺以及納米真空互聯實驗站（Nano-X）完成。