GaN HEMT在2.45GHz下创下85.2%的PAE纪录

摘要：据日本富士通株式会社（Fujitsu Ltd）报告，基于自支撑GaN衬底的GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在工业、科学和医疗（ISM，2.4-2.5GHz）保留频段2.45GHz下工作时，实现了85.2%的功率附加效率（PAE）和89.0%的漏极效率（DE

据日本富士通株式会社（Fujitsu Ltd）报告，基于自支撑GaN衬底的GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在工业、科学和医疗（ISM，2.4-2.5GHz）保留频段2.45GHz下工作时，实现了85.2%的功率附加效率（PAE）和89.0%的漏极效率（DE） [Toshihiro Ohki et al, Appl. Phys. Express, p18, p034004, 2025]。研究团队报告称：“据我们所知，在分立式GaN HEMT中，我们的器件创下了功率附加效率和漏极效率的最高新纪录，凸显了GaN-on-GaN HEMT在高效射频功率放大器中的卓越潜力。”富士通还宣称，此前在2021年创下的纪录是2.45GHz时82.8%的功率附加效率。研究人员认为，用于提高效率的方法可能有利于其他频率下（甚至在100GHz亚太赫兹范围内）的性能。研究团队尤其注重减少衬底表面和沟道区的硅污染和碳污染，因为这两种污染推迟了使用自支撑GaN衬底的预期性能优势。研究人员解释道：“基于自支撑GaN衬底的GaN基HEMT（GaN-on-GaN HEMT）位错密度低，而且通过同质外延消除了成核层，因此可在高频和大功率工作期间有效抑制晶体缺陷处的电子捕获。”GaN HEMT广泛应用于无线通信和雷达系统，近期还被用于功率转换应用，包括电动汽车。

图1：基于自支撑GaN衬底的GaN基HEMT示意图。

研究人员通过金属有机气相外延（MOVPE），在4英寸自支撑半绝缘GaN上生长出HEMT的外延材料（图1）。GaN衬底的位错密度小于5x106/cm3。外延前，通过氢氟酸预处理去除衬底表面的残留硅（Si）。痕量硅含量降低了两个数量级，旨在降低最终HEMT器件中外延/衬底界面的横向漏电流。最初的掺铁（Fe）GaN层为进一步的特性，专为降低漏电流而设计，从而确保功率附加效率达到较高水平。研究人员在生长沟道层时着眼于碳含量的降低，这一点可通过将V/III比率从1600提至8200来实现。该比例的提升降低了前驱体混合物中含碳III族金属有机物的相对浓度。光致发光研究证明了这一策略的有效性，该研究显示，随着V/III比率的提升，与碳掺入相关的黄光发光强度降至原来的0.075倍。以铝（Al）含量31%的AlGaN势垒和GaN覆盖层结束HEMT外延。所制备的HEMT具有欧姆源极和漏极，这两种电极通过周期性刻蚀凹槽使金属与沟道层直接接触。源极/漏极金属为经过退火的钛/铝。因此，接触电阻从0.38Ω-mm降至0.25Ω-mm。该团队评论道：“这种结构的接触电阻比平面型凹槽结构的接触电阻更稳定、更低，因为电极无需中间的势垒层即可直接接触2DEG，而且无需薄势垒层，可防止电极下方2DEG的减少。此外，相较于采用重掺硅GaN再生长层的工艺，这种条状凹槽结构还减少了热预算，而热预算可能是电子陷阱的起源。”0.5μm长的栅极由镍/金构成。采用等离子体增强CVD氮化硅（SiN）进行钝化。这一HEMT设计还包括源极场板和栅极场板。三端直流研究表明，栅极电势为+2V时，二维电子气（2DEG）沟道的方块电阻为390Ω/□，最大漏极电流为853mA/mm，导通电阻为4.74Ω-mm。漏极偏压为10V时，最大跨导和阈值电压分别为288mS/mm和-1.77V。在2.45GHz ISM频段下进行负载牵引测量，结果显示，漏极偏压为55V、漏极电流为10mA时，截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）分别为11.5GHz和20.3GHz。总栅极宽度Wg为3.2mm（10x320μm）。

图2：GaN-on-GaN HEMT在2.45GHz频率下的输入-输出功率（Pin-Pout）特性，基波和谐波阻抗设定为PAE匹配条件。

输入-输出功率测量结果表明，最大功率附加效率为85.2%，漏极效率为89.0%（图2）。峰值输出功率为44.04dBm，对应7.9W/mm的功率密度。研究人员评论道：“这些结果超越了以往报告的结果，既是因为通过改善沟道质量减少了电子捕获现象，又是因为在大功率工作期间，通过减少衬底/外延界面处的残留硅抑制了衬底侧漏电流。”