摘要：新加坡研究人员报道了首款基于硅（Si）衬底的氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管，该晶体管可在D波段（110-170GHz）射频（RF）范围内以高于0.1太赫兹（100GHz）的亚太赫兹水平工作 [Hanchao Li et al, IEEE Electron
新加坡研究人员报道了首款基于硅（Si）衬底的氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管，该晶体管可在D波段（110-170GHz）射频（RF）范围内以高于0.1太赫兹（100GHz）的亚太赫兹水平工作 [Hanchao Li et al, IEEE Electron Device Letters, published online 21 July 2025]。研究人员评论道：“此项演示标志着在已公布硅基氮化镓HEMT的功率放大中，实现了最高的功率（并首次达到D波段）”。
该团队的成员分别来自新加坡南洋理工大学、氮化镓国家半导体转化与创新中心（NSTIC (GaN)）、微电子研究所（IME）、新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟，他们评论道：“此项研究首次证明了硅基氮化镓HEMT技术用于D波段功率放大的可行性，从而突破了硅基氮化镓HEMT技术的界限。”
使用硅衬底的潜在优势包括晶圆直径大、成本效益高、可与硅CMOS紧凑集成。此类器件是低成本亚太赫兹6G蜂窝基础设施的有力候选器件。其他亚太赫兹应用包括大气遥感和基于倍频链的亚太赫兹电源。
该HEMT的材料（图1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在高电阻率（HR）硅衬底上生长，其中包括4nm的原位SiN层。设计了一个4nm/150nm/100nm AlN/GaN/Al0.08Ga0.92N的双异质结构沟道，旨在抑制短沟道效应，从而实现高频性能。
图1：（a）漏极偏压（Vds）高达10V时的输出功率（Pout）与硅基氮化镓HEMT频率的基准关系。（b）AlN/GaN/AlGaN-on-Si MIS-HEMT方案。（c）所制造器件的截面透射电子显微镜（TEM）图像。
采用AlN而非AlGaN作为顶部势垒，可提高AlN/GaN界面附近形成的二维电子气（2DEG）沟道中的载流子密度，这归因于导带偏移增大和极化效应增强。霍尔效应测量表明，薄层电荷密度为1.7x1013/cm2，迁移率为1400cm2/V-s。方块电阻为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、通过沉积经过退火的钛/铝/镍/金制备欧姆源极/漏极接触、制备镍/金T型栅极、通过原子层沉积制备氧化铝（Al2O3）钝化层。
在整个制造过程中保留了原位SiN层，原位SiN层在最终的HEMT中充当栅极电介质，并最大限度地减少了界面污染（例如保护顶部势垒中的铝免于氧化）和缺陷的形成。研究人员还指出，较薄的（14nm）SiN/Al2O3堆叠最大程度地降低了寄生电容。
栅长（Lg）为140nm。栅极的位置距源极（Lg）480nm，距漏极（Lgd）680nm。因此，源极-漏极总距离（Lsd）为1.3μm。栅宽由两个16μm的指状结构构成（2x16μm）。
研究团队评论道：“较小的栅指宽度旨在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，这对于最大限度地减少射频信号沿栅指的衰减和提高最大振荡频率（fmax）至关重要。”
直流特性分析的结果是：最大漏极电流密度为2.0A/mm，导通电阻为1.1Ω-mm，阈值电压为-2V，导通/关断电流比为105，峰值跨导为0.65S/mm。
三端击穿发生在35V时，原因是栅极的漏极边缘发生载流子电离，导致漏极电流和栅极电流突然增大。
在脉冲测量中，分别将-5V栅极脉冲叠加于静态（Vgq）以及同时施加5V/5V的栅极/漏极脉冲，对电流崩塌进行了评估。栅极脉冲造成了8.6%的崩塌，栅极/漏极脉冲造成了15.2%的崩塌。
小信号射频特性分析表明，截止频率（fT）为112GHz，最大振荡频率（fmax）为205GHz。
图2：123GHz连续波（CW）时的射频大信号性能。（a）基频调谐时的测量设置。（b）漏极偏压为5V时的功率扫描结果。（c）漏极偏压为10V时的功率扫描结果。
使用片上D波段无源负载牵引系统对射频大信号性能进行了测试（图2）。输出功率为0.36W/mm，漏极偏压为5V时，峰值功率附加效率（PAE）达到5.3%。在10V漏极偏压下，最大输出功率为0.67W/mm。
图3：对比碳化硅基氮化镓或蓝宝石基氮化镓的射频大信号基准：（a）输出功率与漏极偏压的关系；（b）功率附加效率与输出功率的关系。若标注代工厂，则置于括号内。
该团队还将他们的研究与基于碳化硅（SiC）或蓝宝石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，这并不完全公平，因为这些器件往往是为了实现某些其他目标而牺牲效率或输出功率的折衷结果，并补充道，其目的在于“提供技术背景，而不是直接的性能基准”。即便如此，上述图片显示，与基于更昂贵替代衬底的器件相比，该团队的器件仍展现出具有竞争力的性能。
研究团队认为，相对较低的功率附加效率主要是因为“外延生长过程中对硅衬底的回熔刻蚀引起的寄生损耗”。可以通过重新生长接触、优化钝化、采用有源调谐或多指栅极来实现改进。研究团队表示，要在提升输出功率的同时保持效率，就需要多指栅极。
来源：雅时化合物半导体
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来源：CSC化合物半导体