摘要：新加坡研究人员首次报道了在硅基（Si）衬底上制备的金刚石氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），该器件设计用于D波段（110–170GHz）射频（RF）频率范围，可实现超过0.1太赫兹（100GHz）的亚太赫兹（sub-THz）级操作。他们指出：“这是

新加坡研究人员首次报道了在硅基（Si）衬底上制备的金刚石氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），该器件设计用于D波段（110–170GHz）射频（RF）频率范围，可实现超过0.1太赫兹（100GHz）的亚太赫兹（sub-THz）级操作。他们指出：“这是迄今已公开报道的基于GaN-on-Si HEMTs中，在功率放大方面实现的最高频率，也是首次进入D波段的成果。”

该研究团队成员分别来自新加坡南洋理工大学、国家半导体氮化镓转换与创新中心（NSTIC(GaN)）、微电子研究所（IME）、新加坡国立大学以及新加坡–麻省理工学院研究联盟（Singapore-MIT Alliance）等机构。他们评论道：“这项工作首次展示了GaN-on-Si HEMT技术在D波段功率放大方面的可行性，突破了该技术的边界。”

采用硅衬底的潜在优势包括：可使用大直径晶圆、成本低、便于与硅基CMOS集成。该类器件具有成为低成本亚太赫兹6G蜂窝基础设施关键组件的潜力。其他亚太赫兹应用还包括大气遥感，以及基于倍频链的太赫兹功率源。

HEMT所用材料如图1所示，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长于高电阻硅衬底之上，并在原位沉积了约4 nm厚的SiN层。通道结构采用双异质结构：4nm AlN/ 150nm GaN/ 100nm Al0.08Ga0.92N，旨在抑制短沟道效应，从而提升高频性能。

图1：(a)在漏极偏压（V_ds）高达10V的情况下，不同频率下GaN-on-SiHEMT的输出功率（P_out）对比基准；(b)AlN/GaN/AlGaN-on-Si型金属–绝缘体–半导体HEMT（MIS-HEMT）结构示意；(c)制备器件的截面透射电子显微镜（TEM）图像。

选择AlN而非AlGaN作为顶部势垒，有助于在AlN/GaN界面处形成的二维电子气（2DEG）通道中提高载流子密度。这是由于AlN与GaN间较大的导带偏移及较强的极化效应。霍尔效应测量表明，载流子面密度达1.7×10¹³cm⁻²，迁移率约为1400cm²/V·s，片电阻为约260Ω/□。

制造过程包括通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀进行台面隔离，沉积钛/铝/镍/金并进行退火以形成欧姆源/漏接触，制作镍/金T型栅，以及通过原子层沉积（ALD）形成氧化铝（Al2O3）钝化层。

原位生长的氮化硅层在整个制造过程中得以保留，在最终的HEMT中充当栅极电介质，并最大限度地减少了界面污染（例如，保护顶部势垒层中的铝不被氧化）和缺陷的形成。研究人员还指出，薄的（14nm）SiN/Al2O3叠层最大限度地减小了寄生电容。

该器件栅长（Lg）为140nm。栅极距离源极（Lgs）480nm，距离漏极（Lgd）680纳米。因此，总的源漏距离（Lsd）为1.3μm。栅宽由两根16微米的指状电极组成（2×16μm）。

该团队评论说：“选择较小的指宽是为了最大限度地减少信号传播延迟（‘横向延迟’），同时保持较低的栅极电阻，这对于减少沿栅指的射频信号衰减和提高最大振荡频率（fmax）至关重要。”

直流特性测试结果显示，该器件最大漏极电流密度为2.0 A/mm，导通电阻为1.1 Ω-mm，阈值电压为-2V，开关电流比为105，峰值跨导为0.65S/mm。三端击穿电压为35V，这归因于栅极漏极端边缘的载流子电离，导致漏极和栅极电流突然增加。

通过脉冲测量评估了电流崩塌效应，其中在静态工作点（Vgq）上叠加-5V的栅极脉冲，并同时施加-5V/5V的栅极/漏极脉冲。仅栅极脉冲导致了8.6%的电流崩塌，而栅漏联合脉冲则导致了15.2%的电流崩塌。

小信号射频特性测试显示，截止频率（fT）为112GHz，而最大振荡频率（fmax）达到205GHz。

图2：123GHz连续波（CW）下的射频大信号性能。(a)基频调谐测量装置。(b)漏源电压（Vds）为5V时的功率扫描结果。(c)漏源电压（Vds）为10V时的功率扫描结果。

研究人员使用一套在片的D波段无源负载牵引系统（图2）测试了射频大信号性能。在5V漏极偏压下，当输出功率为0.36W/mm时，实现了5.3%的峰值功率附加效率（PAE）。在10V漏极偏压下，最大输出功率为0.67W/mm。

图3：与碳化硅（SiC）或蓝宝石基氮化镓（GaN）的射频大信号性能基准比较：(a)输出功率（Pout）与漏源电压（Vds）的关系；(b)功率附加效率（PAE）与输出功率（Pout）的关系。若使用了代工厂，则信息在括号中标注。

该团队还将他们的工作与基于碳化硅（SiC）或蓝宝石衬底的预匹配单片微波集成电路（MMIC）中的HEMT进行了比较（图3）。研究人员承认，这种比较并不完全公平，因为这些器件通常是为了实现其他特定目标而在效率或输出功率方面进行权衡的结果。他们补充说，这样做的目的是“提供技术背景，而不是直接的性能基准比较”。即便如此，图表显示，与那些在更昂贵的替代衬底上制造的器件相比，他们的器件仍具有竞争力。

该团队认为，相对较低的功率附加效率主要是由“外延生长过程中，硅衬底的回熔刻蚀引起的寄生损耗”所致。通过再生长接触、优化钝化、使用有源调谐或多指栅结构，性能可以得到改善。据该团队称，需要采用多指栅结构来在保持效率的同时提升输出功率。

文章来源：https://www.semiconductor-today.com/news_items/2025/aug/nstic-200825.shtml

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0251499

来源：宽禁带联盟