β-Ga2O3衬底上非对称栅极梯度AlGaN/GaN HEMT的射频性能增强研究

本研究针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频应用中存在的短沟道效应和寄生RC延迟问题，通过优化β-Ga2O3衬底上的非对称栅极位置和梯度Al组分设计（0%-30%），显著提升了电子迁移率并实现E-mode操作。研究获得峰值跨导640 mS/mm、截止频率55 GHz和最大振荡频率125 GHz，增益-频率积达2352.24 GHz，为高频功率器件设计提供了新思路。

　　

在当今高速发展的无线通信和功率电子领域，氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)因其宽禁带(3.4 eV)、高电子饱和速度和耐高压特性成为研究热点。然而，传统HEMT在射频(RF)应用中面临短沟道效应、寄生电容和材料晶格失配等瓶颈问题，制约了器件的高频性能突破。

为解决这些挑战，德里大学Shaheed Rajguru女子应用科学学院建模与仿真研究实验室的Arzoo Shakya团队在《Materials Science and Engineering: B》发表研究，创新性地采用β相氧化镓(β-Ga₂O₃)衬底，结合非对称栅极设计和梯度Al组分AlGaN势垒层，实现了HEMT器件性能的显著提升。研究通过TCAD(计算机辅助设计技术)三维仿真，系统分析了栅极位置(0.25 μm源极偏移)、Al组分梯度(0%-30%)和衬底材料对器件特性的影响。

关键技术方法包括：1) 采用β-Ga₂O₃衬底降低与GaN的晶格失配；2) 梯度AlGaN势垒层设计优化电子输运；3) n⁺GaN掺杂欧姆接触恢复二维电子气(2DEG)密度；4) 硅氮化物钝化层改善界面特性。

主要研究结果

不同衬底影响
对比蓝宝石、6H-SiC和β-Ga₂O₃衬底发现，β-Ga₂O₃因单斜晶系结构提供缺陷更少的界面，使2DEG密度提升，漏极电流达2.92 A/mm，较传统衬底提高35%。

栅极位置优化
非对称栅极距源极0.25 μm时，跨导峰值达640 mS/mm，增益-频率积2352.24 GHz，有效平衡了载流子迁移率与电场分布。

梯度Al组分效应
Al组分从30%渐变至0%的设计降低异质结界面散射，电子迁移率提升22%，同时实现增强型(E-mode)操作，阈值电压正向偏移0.7V。

射频特性突破
器件在5 μm沟道和0.2 μm栅长下，截止频率(f_T)55 GHz，最大振荡频率(f_max)125 GHz，增益-带宽积386.82 GHz，满足5G毫米波应用需求。

结论与意义
该研究通过β-Ga₂O₃衬底与梯度AlGaN的协同优化，解决了HEMT在高频应用中的核心瓶颈。创新的非对称栅极布局和材料工程策略，不仅抑制了短沟道效应，还实现了跨导平坦化和射频性能突破。研究成果为下一代高功率射频器件开发提供了理论依据和技术路线，特别适用于5G基站、雷达系统和卫星通信等高频场景。未来通过实验制备验证和热管理优化，有望推动GaN器件在太赫兹频段的实用化进程。