用于5G毫米波通信的GaN on Silicon HEMTs发表时间：2026-02-28 17:01 新加坡和比利时的研究人员报道称，在中度缩放的硅基氮化镓（GaN-on-Si）高电子迁移率晶体管（HEMTs）于30GHz工作时，实现了超过60%的创纪录峰值功率附加效率（PAE）[Yihao Zhuang等人，《IEEE电子器件快报》，2026年1月22日在线发表]。同时，这些器件还展现了业界领先的噪声系数（NF），最低仅为1.1dB。 来自南洋理工大学、新加坡科技研究局（A*STAR）以及比利时/新加坡Soitec公司的研究团队评论道：“这些结果表明，中度缩放策略有望在与优化的外延结构和工艺相结合的情况下，提供一种具有竞争力的硅基GaN HEMT技术。” 研究人员认为，这类低电压（3–6V）射频器件非常适合用于单片集成的移动收发（T/R）模块，以支持5G高频毫米波段（FR2，24.25–71.0GHz）。低频段FR1覆盖范围为410–7125MHz。一项尚未正式确立的提议频段FR3则意在填补FR1与FR2之间的空白，即7.125–24.25GHz。 研究团队指出，现有技术如硅锗异质结双极晶体管（SiGe HBT）和砷化镓伪形态高电子迁移率晶体管（GaAs pHEMTs）难以满足FR2频段严苛的性能要求。而对大规模移动终端市场而言，亟需兼具低成本和高量产能力的解决方案——这正是高性能硅基GaN HEMT平台所能提供的优势。 研究人员还对中度缩放（栅长约100nm）相较于激进缩放的好处作出评论：“栅长缩小会带来制造难度上升的问题，同时也会受到短沟道效应和可靠性限制的影响。通过优化外延结构与制备工艺，可以改善低压运行所需的关键特性，如接触电阻、电子限制效应及陷阱效应。” 器件所用的GaN材料（见图1）是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在高阻硅衬底上生长的。其结构包含由铝镓氮化物（AlGaN）和铟铝氮化物（InAlN）合金分别构成的后势垒层和顶势垒层。  图1：硅基GaN HEMT：（a）器件结构；（b）T型栅与双层钝化的透射电子显微镜（TEM）图像 研究人员表示：“InAlN势垒提供了强极化效应和较短的栅-沟道距离，从而改善了二维电子气（2DEG）的控制性能。此外，超薄GaN沟道与AlGaN背势垒的组合进一步增强了电子限制作用，有效抑制了短沟道效应并降低了沟道噪声。” 80nm深的n型GaN源/漏接触区采用725°C分子束外延（MBE）生长。T型栅由镍/金构成。钝化层为双层结构：250°C原子层沉积（ALD）氧化铝（Al₂O₃，10nm）和300°C等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氮化硅（60nm），旨在抑制表面陷阱和漏电流。 研究人员报告称，该钝化层在150nm栅长（Lg）器件中成功将电流崩塌从80%以上降低至24%，栅滞后为10%。该HEMT的其他测量指标包括：最大漏电流1.58A/mm，导通电阻1.48Ω·mm，阈值电压−2.9V，以及在6V漏压下峰值跨导为0.52S/mm。 在小信号频率性能方面，研究人员测得100nm栅长HEMT的截止频率（fT）/最大振荡频率（fmax）分别为100GHz/254GHz（10V漏压）。在5V漏压下，fmax仍超过200GHz。 研究人员补充道：“即便是在150nm栅长器件中，其fmax×Lg值仍达到优异的34.9GHz·μm，可与已报道的极端缩放硅基GaN HEMT的最高水平相媲美。”  图2：100nm栅长器件在30GHz下的功率与噪声性能：（a）5V漏压下的功率性能；（b）连续波（CW）与脉冲模式下饱和功率（Psat）与峰值PAE随漏压（VDS）变化曲线；（c）最小噪声系数（NFmin）与相关增益（Ga）随漏电流（ID）变化曲线；（d）栅长缩小带来的噪声性能改善 100nm栅长器件的PAE在3–6V低电压范围内均超过60%（见图2），峰值出现在3V和4V时，达63.7%。 研究团队评论说：“得益于所提出的双层钝化结构有效抑制了表面陷阱效应，连续波与脉冲模式之间未观察到显著性能差异。” 线性增益随栅长变化如下：150nm栅长为10.8dB，100nm为11.1dB，60nm为14.7dB。研究人员指出：“低压运行下的高效率证明了其在移动应用中的潜力。” 研究人员解释了在冷源系统中测得的低噪声性能：“超薄沟道、AlGaN背势垒及再生长欧姆接触所带来的优良电子限制效应、高增益和低寄生电阻，使得器件在10GHz至40GHz的FR3至FR2频段内表现出卓越的低噪声特性（NFmin < 1.4dB），即使未进行激进的横向缩放。” 最低NFmin为1.1dB，对应增益（Ga）为8.3dB。将工作频率降至13GHz时，NFmin降至0.8dB，Ga升至14.1dB。栅长缩小同样提升了Ga并降低了NFmin。  图3：已报道的硅基GaN HEMT在26–30GHz下的功率与噪声性能基准对比：（a）低电压（≤6V）下峰值PAE与Psat关系；（b）NFmin与Ga关系 通过与已有研究成果对比（见图3），研究团队宣称在100nm栅长（即未进行极端横向缩放）条件下，实现了超过60%的创纪录效率和业界领先的1.1dB噪声性能。  图4：约30GHz下GaN HEMT的NFmin与峰值PAE对比基准（另有说明除外） 进一步的基准测试（见图4）显示，相比硅基GaN和其他成本更高的碳化硅基GaN（GaN-on-SiC）技术，此类HEMT在同时实现高效率和低噪声方面具有明显优势。 来源 芯机甲 |