AlN衬底显示出对GaN-HEMTs的巨大应用前景

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 Al_0.3Ga_0.7N 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)