近年來，5G通信應(yīng)用向手機(jī)等移動(dòng)終端場(chǎng)景深度拓展，對(duì)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(yōu)異的二維電子氣（2DEG）輸運(yùn)特性，已成為實(shí)現(xiàn)高性能射頻前端的理想選擇。然而，常規(guī)GaN器件存在較高的膝點(diǎn)電壓，嚴(yán)重制約了其在低壓條件下的射頻輸出性能。針對(duì)這一問題，國(guó)際上的常規(guī)做法是采用強(qiáng)極化異質(zhì)結(jié)（如InAlN/GaN、AlN/GaN等）以及“深度縮放”工藝路線，對(duì)加工精度要求較高。

近日，蘇州納米所孫錢研究員團(tuán)隊(duì)成功研制出一種基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的硅基氮化鎵“近無接入?yún)^(qū)”金屬-絕緣體-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管（MIS-HEMT）器件，基于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在較為寬松的加工精度條件下，有效降低了膝點(diǎn)電壓，并在低壓應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的直流與射頻性能。

研究團(tuán)隊(duì)通過將源漏極歐姆接觸區(qū)域延伸至柵極邊緣，并采用n??-GaN二次外延技術(shù)，有效抑制了常規(guī)器件中由非柵控2DEG區(qū)域引入的接入?yún)^(qū)電阻，進(jìn)而顯著提升了器件的輸出特性。該器件在550 nm柵長(zhǎng)下，實(shí)現(xiàn)了2.11 A/mm的飽和電流密度、300 mS/mm的峰值跨導(dǎo)以及0.61 Ω·mm的低導(dǎo)通電阻，歐姆接觸電阻低至0.09 Ω·mm。

在3.5 GHz頻段的負(fù)載牽引測(cè)試中，器件在5 V漏極電壓下輸出功率密度達(dá)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(guān)注的是，在射頻功率應(yīng)用場(chǎng)景下，通過線性外推法提取得到器件的膝點(diǎn)電壓僅0.75 V，是目前已公開報(bào)道的低壓GaN射頻器件中的最優(yōu)值。下一步將通過選區(qū)生長(zhǎng)高阻GaN、抬升T柵等方面的研究，進(jìn)一步提升器件性能。

圖1 硅基氮化鎵近無接入?yún)^(qū)MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)截面示意圖

圖2 硅基氮化鎵近無接入?yún)^(qū)MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)的（a）轉(zhuǎn)移特性（b）輸出特性（c）三端口漏電特性（d）三端口關(guān)態(tài)擊穿特性

圖3 硅基氮化鎵近無接入?yún)^(qū)MIS-HEMT器件結(jié)構(gòu)（a）3.5 GHz下基于負(fù)載牽引測(cè)試的射頻功率特性（b）膝點(diǎn)電壓外推結(jié)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(fā)表于國(guó)際微波射頻領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Microwave and Wireless Technology Letters。論文第一作者為張新堃博士，現(xiàn)為團(tuán)隊(duì)在站博士后。

本研究與團(tuán)隊(duì)前期在國(guó)際微電子領(lǐng)域期刊Semiconductor Science and Technology上發(fā)表的另一項(xiàng)研究工作（Impact of eliminating ungated access regions on DC and thermal performance of GaN-based MIS-HEMT）關(guān)系密切。在前期研究中，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地揭示了接入?yún)^(qū)對(duì)GaN器件電學(xué)與熱學(xué)性能的影響機(jī)制，指出：抑制接入?yún)^(qū)有望顯著提升器件的低壓輸出特性。以此為基礎(chǔ)，本研究進(jìn)一步提出并驗(yàn)證了一種區(qū)別于常規(guī)“深度縮放”的低壓射頻器件工藝路線，通過有效抑制接入?yún)^(qū)電阻，實(shí)現(xiàn)了膝點(diǎn)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(fā)展提供了新思路。

相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、蘇州市科技計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。相關(guān)器件制備與測(cè)試在蘇州納米所納米加工平臺(tái)、納米測(cè)試分析平臺(tái)以及納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）完成。