微电子所在毫米波GaN MIS-HEMT器件研究方面取得突破

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近日,微电子所刘新宇研究员团队以PEALD 沉积SiN作为栅介质,成功研制出高性能毫米波MIS-HEMT,并通过远程等离子体预处理(RPP)技术,在EET > 0.4 eV条件下, 界面态密度达到了6×1011 cm-2 eV-1~2.1×1012 cm-2 eV-1,实现了低界面态密度,减小了器件的关态泄漏电流,保证了器件具有良好的阈值电压稳定性。与常规HEMT器件相比,MIS-HEMT器件沟道载流子迁移率显著提高,器件电流崩塌效应得到抑制,在30GHz连续波测试中,实现了7.05W/mm的功率密度,峰值效率51.4%。 

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在功率放大器和无线通讯领域具有广泛的应用前景,目前GaN器件的工作频段已进入毫米波段。随着器件工作频率的提高,需要等比例缩小器件尺寸。然而,降低势垒层的厚度,导致二维电子气(2DEG)密度降低;栅长的缩短降低了栅极金属对沟道载流子的控制能力,增加了泄漏电流;栅槽刻蚀引入的损伤造成了沟道载流子散射严重,迁移率下降,2DEG的退化传输特性制约了毫米波器件性能的提升。通过在栅金属和半导体之间增加一层绝缘材料,形成金属-介质-半导体(MIS)结构可有效改善2DGE的迁移率,使MIS结构在降低器件栅漏电流和提高器件击穿电压等方面具有明显的优势。

氮化硅(SiN)是目前较多采用的栅介质材料,其与III-N界面处可以形成较大的导带偏移(ΔEC),有利于降低漏电流,更重要的是在沉积SiN过程中可以使用非氧前驱体材料,降低界面态密度。目前报道栅介质材料的射频器件主要集中在低频段,毫米波MIS射频器件的研究较少。 

刘新宇研究员团队开发了等离子增强型原子层淀积SiN生长技术,通过优化介质沉积前的表面处理技术,结合远程等离子体预处理(RPP)技术,实现了高性能毫米波GaN MIS-HEMT器件。该器件具有低泄漏电流和电流崩塌效应,与常规肖特基栅结构HEMT器件对比,栅介质层的引入有效降低了载流子的散射,将沟道载流子迁移率提升18%。改善的2DEG输运特性促进了MIS-HEMT器件的输出功率密度,在30GHz连续波测试下实现了7.05W/mm的输出,峰值附加功率效率51.4%,对比发现,毫米波MIS-HEMT器件在提升器件功率特性、降低器件泄漏电流等方面具有显著的优势,为提高毫米波频段器件性能提供了新的技术路线。 

该团队在GaN毫米波MIS-HEMT器件方面进行了一系列深入的研究,相关研究成果分别发表于国际电机电子工程师协会期刊IEEE Electron Device Letters(DOI: 10.1109/LED.2021.3105817), IEEE Trans. Electron Devices(DOI:10.1109/TED.2020.3037888)、VACUUM(DOI:10.1016/j.vacuum.2021.110359),论文第一作者为张昇,通信作者为魏珂、刘新宇研究员。 

图(a)和(b)毫米波MIS-HEMT器件结构图和TEM图; HEMT器件和MIS-HEMT器件(c)反向肖特基漏电流(d)2DEG迁移率;(e)30GHz下MIS-HEMT器件功率测试;(f)26GHz—40GHz文献报道的毫米波HEMT和MIS-HEMT器件功率特性

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