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AlN衬底显示出对GaN-HEMTs的巨大应用前景

2021/6/29 20:17:44      材料来源:化合物半导体杂志

自支撑AlN 衬底有可能生产破纪录的 X 波段 HEMTs 


富士通的工程师声称,他们已经为 X 波段运行的基于 RF GaN 的 HEMTs的性能开辟了新天地。他们的器件在 AlN 衬底上制造,可提供超过 15 W mm-1 的功率密度,随着场板的引入和器件尺寸的优化,更高的值可能会随之而来。

 

据该团队称,其他关于 AlN 衬底上基于 GaN 的 HEMTs 的报告已经使用 AlGaN 沟道来提高高温性能。然而,采用这种设计的三元合金散射会降低电子迁移率并阻碍性能。为了避免这些问题,富士通的团队采用了 GaN 沟道。

 

使用 AlN 衬底有望提供两全其美的结果,因为它具有比 GaN 更高的导电性并避免 SiC 的晶格失配问题。但 AlN 衬底价格昂贵且尺寸有限。

 

该团队的发言人 Shiro Ozaki 告诉 《化合物半导体》(Compound Semiconductor),他希望更多地将这些器件用于紫外激光二极管和 LED中, 将有助于解决这些问题。他预计这将最终导致价格合理的 3 英寸直径衬底的可用性。

 

Ozaki 及其同事生产了一系列栅极长度为 0.25 μm、栅极宽度为 50 μm 和栅漏长度为 3 μm 的 GaN HEMTs。其中一个晶体管是在 1 英寸直径的 AlN 衬底上生产的,穿透位错密度低于 103 cm-2,另外五个变体已经在 SiC 上制造:一个与 AlN 上的晶体管一样,沟道厚度为 200 nm , 调整漏极漏电流;其他四个具有 1000 nm 厚的沟道和不同的 AlGaN 势垒成分,以评估载流子密度对直流特性的影响。

 

通过测量漏电流与驱动电压的函数关系,即栅源电压和阈值电压之间的差值,揭示了具有厚沟道的 HEMTs 的漏电流路径。具有更薄、200 nm 厚沟道的器件抑制了这种泄漏。该团队还发现,在 AlN 衬底上生长的器件中采用的具有高铝成分的 AlGaN 缓冲层,与在 SiC 上制造的类似器件相比,大幅降低了夹断状态,并且漏电流更低。

 

模拟表明,尽管 AlN 衬底上的 HEMT 具有高载流子密度,但其背势垒富含铝。并且,根据这些计算,当沟道厚度减小时,该 Al0.3Ga0.7N 势垒中的电场减弱,抑制电子隧道进入该层并消除漏电流。

 

为确保优良的输出功率特性,HEMTs 必须在高阻断电压下产生高漏极电流。在 SiC 上制作的五个器件的测量表明,这些前端之一的增益受到另一个前端的损失的影响,而 AlN 上的 HEMT 提供了无与伦比的性能。

 

该团队的 GaN-on-AlN HEMT 的总栅极宽度为 1 mm,在 70 V 电压下,1% 的占空比下使用 10 μs 脉冲时,可以产生 49.1% 的峰值功率附加效率。相关输出功率为 41.7 dB,相当于 14.7 W mm-1,增益为 9.6 dBm。

 

对于在 SiC 上生长的器件,据报道 X 波段的功率密度为 30.6 W mm-1。 “我们的目标比这更高,”Ozaki说。

 

为了实现这一目标,Ozaki 和同事打算将他们的 HEMTs 的工作电压提高到 100 V 以上。“要实现这一点,场板优化将是一项关键技术。”

 

上图显示了在AlN衬底上制作的HEMT的X波段输出功率随工作电压的增加而增加。引入场板应该能够增加电压和输出功率。

 

参考文献

Ozaki et al. Appl. Phys. Express 14 041004 (2021)

 

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