GaN-on-GaN HEMTs中寄生导电界面对直流与射频性能的影响机制研究

这篇综述深入探讨了半绝缘GaN衬底上AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中寄生导电界面（PCI）的形成机制及其对器件性能的影响。研究通过理论计算和实验分析，揭示了环境硅污染导致的1500 Ω/□ PCI是射频输出功率（Pout≤1.7 W/mm）和功率附加效率（PAE≤15%）降低的根源，同时指出GaN:Fe缓冲层虽能维持良好的直流特性（如创纪录的跨导gm-max=535 mS/mm），但无法有效抑制PCI引发的射频反馈效应和传播损耗（5 dB/mm）。

　　

引言

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高击穿电压和二维电子气（2DEG）迁移率，成为6G通信技术的核心器件。与SiC衬底相比，GaN同质外延可降低位错密度，但衬底表面易受环境硅污染形成寄生导电界面（PCI），成为制约器件性能的关键瓶颈。

实验方法

研究采用金属有机气相沉积（MOVPE）在Mn掺杂半绝缘GaN衬底上生长1.3 μm GaN:Fe缓冲层和Al_0.28GaN/GaN异质结，通过涡流测量首次检测到PCI电导率达690 μS/□。采用150 nm栅极工艺制备HEMT，结合传输线法（TLM）、脉冲I-V和负载牵引测试系统评估性能。

直流性能表现

GaN-on-GaN HEMT展现出卓越的直流特性：阈值电压V_th=-1.8 V，最大漏极电流I_DSmax=1.3 A/mm，击穿电压较SiC衬底提高30-50 V。TLM测量揭示PCI导致涡流与2DEG薄层电阻存在22%差异，证实其平行导电路径效应。值得注意的是，GaN:Fe缓冲层有效隔离PCI，使漏电流维持在95 μA/mm水平。

射频性能恶化机制

20 GHz负载牵引测试显示PCI引发显著性能衰减：输出功率从理论计算的3.8 W/mm骤降至1.7 W/mm，PAE从预估的50%跌落至15%。小信号分析表明PCI通过三种机制影响射频特性：

1. 1.

   反馈效应：使稳定性因子k=1的转折点从40 GHz（SiC）降至11 GHz

2. 2.

   端口加载：S参数史密斯圆图呈现电阻性变形

3. 3.

   传播损耗：共面波导测量显示5 dB/mm的额外损耗，仿真证实1500 Ω/□ PCI是主因

材料与器件优化启示

研究强调PCI的硅污染本质不可通过常规退火消除，建议采用原位干法刻蚀或碳补偿掺杂。尽管存在PCI，器件仍实现47 GHz截止频率（f_t）和85 GHz最大振荡频率（f_max），跨导值创纪录达535 mS/mm，证明同质外延在载流子输运方面的优势。

工程应用价值

该研究为GaN毫米波器件设计提供重要指导：PCI导致的阻抗失配（Z_o波动）要求宽带电路需特殊匹配，而5 dB/mm的传输损耗则限制互连尺寸。研究结果可解释文献中普遍存在的GaN-on-GaN HEMT低PAE现象（多低于30%），为衬底处理工艺改进指明方向。