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高增益高效率X波段AlGaN/GaN HEMT微波功率器件

2021-12-09

 

X波段微波功率器件在军用和商用相控阵雷达、通信数据链路及人工智能等领域具有重要应用,这些应用要求器件具有高功率增益、高功率效率和合适的功率规格。GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)是实现高增益、高效率和高功率密度的理想选择。虽然GaN HEMT的性能越来越好,但是要制备出工作在X波段的具有高功率增益、高效率的GaN HEMT,仍然面临诸多挑战。其中关键挑战之一是材料质量的限制。由于在半绝缘SiC衬底上进行GaN HEMT异质外延,二维电子气结构材料中一般存在大量的缺陷,如典型位错密度约为108 cm-2。为了降低HEMT器件的沟道电阻,必须进一步提高二维电子气的浓度及其迁移率。另一个重要问题是高漏极电压偏置下由陷阱引起的电流崩塌现象,这严重降低了器件在高频工作时的性能。尽管引入钝化层和场板可以抑制陷阱效应,但电流崩塌仍然难以消除。要进一步提高微波功率器件的性能,需要对研制的AlGaN/GaN HEMT结构材料、AlGaN/GaN HEMT微波功率器件及其二者之间的关系进行深入的研究。

近日,山东大学徐现刚教授课题组和中国科学院半导体研究所王晓亮教授课题组在国产4英寸SiC衬底上,通过在HEMT结构中同时引入AlN插入层和GaN高迁移率沟道层,研制出了二维电子气浓度达到9.954 * 1012 cm-2、迁移率达到2291.1 cm2/(V?s)、方块电阻为301.6 W、不均匀性为1.64%的高性能GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT结构材料。用所研制的材料,研制出了AB类工作时线性功率增益高达17.04 dB、功率附加效率高达50.56%的高增益和高功率附加效率的GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT微波功率器件,如图1和图2所示。

图1. 研制的双指GaN HEMT的显微镜照片。栅长LG为0.45 μm,栅宽WG为200 μm。

图2. 制备的AlGaN/GaN HEMT器件的功率性能。采用射频脉冲测试,脉宽为100 μs、占空比为1%。器件偏置在AB类工作状态,静态偏置点 (VGSQ, VDSQ) 分别选在 (a) (-3.5, 28) V、(b) (-3.5, 34) V 和 (c) (-3.5, 40) V。

当器件漏极偏置在28、34和40V,栅极偏置在3.5V 时,器件的实际输出功率密度分别为5.66、5.75和6.21W/mm。通过分析发现,在相应的偏置下,实际测得的输出功率密度仍然低于理想预期的最大输出功率6.53、8.17 和9.82 W/mm,说明电流崩塌效应尚未完全消除。尽管如此,通过使用高性能的HEMT结构材料、表面钝化技术和场板,依然实现了高增益和高效率的GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT微波功率器件。

Fabrication and characterization of AlGaN/GaN HEMTs with high power gain and efficiency at 8 GHz

Quan Wang, Changxi Chen, Wei Li, Yanbin Qin, Lijuan Jiang, Chun Feng, Qian Wang, Hongling Xiao,Xiufang Chen, Fengqi Liu, Xiaoliang Wang, Xiangang Xu, Zhanguo Wang

J. Semicond. 2021, 42(12): 122802

doi:?10.1088/1674-4926/42/12/122802

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/12/122802?pageType=en

来源:第12期半导体学报中文导读

 



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