近年来，5G通信应用向手机等移动终端场景深度拓展，对低压高性能射频功率放大器（PA）的需求日益迫切。氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高电子饱和速率和优异的二维电子气（2DEG）输运特性，已成为实现高性能射频前端的理想选择。然而，常规GaN器件存在较高的膝点电压，严重制约了其在低压条件下的射频输出性能。针对这一问题，国际上的常规做法是采用强极化异质结（如InAlN/GaN、AlN/GaN等）以及“深度缩放”工艺路线，对加工精度要求较高。
近日，中国科学院苏州纳米所孙钱研究员团队成功研制出一种基于AlGaN/GaN异质结的硅基氮化镓“近无接入区”金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMT）器件，基于结构创新，在较为宽松的加工精度条件下，有效降低了膝点电压，并在低压应用中展现出卓越的直流与射频性能。
研究团队通过将源漏极欧姆接触区域延伸至栅极边缘，并采用n⁺⁺-GaN二次外延技术，有效抑制了常规器件中由非栅控2DEG区域引入的接入区电阻，进而显著提升了器件的输出特性。该器件在550 nm栅长下，实现了2.11 A/mm的饱和电流密度、300 mS/mm的峰值跨导以及0.61 Ω·mm的低导通电阻，欧姆接触电阻低至0.09 Ω·mm。
在3.5 GHz频段的负载牵引测试中，器件在5 V漏极电压下输出功率密度达0.81 W/mm，线性增益10.5 dB，峰值功率附加效率（PAE）为19.4%。尤为值得关注的是，在射频功率应用场景下，通过线性外推法提取得到器件的膝点电压仅0.75 V，是目前已公开报道的低压GaN射频器件中的最优值。下一步将通过选区生长高阻GaN、抬升T栅等方面的研究，进一步提升器件性能。
图1 硅基氮化镓近无接入区MIS-HEMT器件结构截面示意图
图2 硅基氮化镓近无接入区MIS-HEMT器件结构的（a）转移特性（b）输出特性（c）三端口漏电特性（d）三端口关态击穿特性
图3 硅基氮化镓近无接入区MIS-HEMT器件结构（a）3.5 GHz下基于负载牵引测试的射频功率特性（b）膝点电压外推结果
该研究成果以AlGaN/GaN MIS-HEMT Nominally Free of Access Regions on Si for Low-Voltage RF Applications为题发表于国际微波射频领域权威期刊IEEE Microwave and Wireless Technology Letters。论文第一作者为张新堃博士，现为团队在站博士后。
本研究与团队前期在国际微电子领域期刊Semiconductor Science and Technology上发表的另一项研究工作（Impact of eliminating ungated access regions on DC and thermal performance of GaN-based MIS-HEMT）关系密切。在前期研究中，团队系统地揭示了接入区对GaN器件电学与热学性能的影响机制，指出：抑制接入区有望显著提升器件的低压输出特性。以此为基础，本研究进一步提出并验证了一种区别于常规“深度缩放”的低压射频器件工艺路线，通过有效抑制接入区电阻，实现了膝点电压的有效控制乃至器件整体射频输出特性的提升，为低压Sub-6GHz射频前端芯片的发展提供了新思路。
相关工作得到了国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、江苏省重点研发计划、苏州市科技计划等多个项目的支持。相关器件制备与测试在苏州纳米所纳米加工平台、纳米测试分析平台以及纳米真空互联实验站（Nano-X）完成。
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