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通过兼容势垒层的选择性等离子体氧化实现含GaON背栅帽层的高性能GaN HEMT
High-performance GaN HEMTs with GaON under-gate cap layer via barrier-friendly selective plasma oxidation
| 作者 | |
| 期刊 | Applied Physics Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 卷/期 | 第 126 卷 第 14 期 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 肖特基栅太赫兹高电子迁移率晶体管 金属诱导间隙态 氮化镓 氧等离子体氧化 射频性能 |
语言:
中文摘要
肖特基栅太赫兹高电子迁移率晶体管在使用超薄势垒层时易受金属诱导隙态（MIGS）影响，导致栅极漏电和电子散射，劣化输运特性。虽然氧等离子体氧化InAlN势垒可缓解MIGS，但会引入缺陷与杂质散射，损害沟道性能。本研究利用GaN与InAlN之间热力学氧化选择性差异，选择性地将栅下GaN帽层转化为宽带隙氮氧化镓（GaON），同时保持InAlN势垒完整。该兼容势垒层方法在不牺牲沟道质量的前提下抑制MIGS，实现了接近理论极限的本征电子有效速度（veff,i = 2.2×10⁷ cm/s），并获得创纪录射频性能：fT/fmax达240/530 GHz，Ka波段噪声系数低于1 dB，线性增益提升至8 dB。
English Abstract
Schottky-gated terahertz high-electron mobility transistors with ultrathin barriers suffer from metal-induced gap states (MIGSs), leading to gate leakage and electron scattering that degrade transport properties. While oxygen plasma oxidation of the InAlN barrier can mitigate MIGS, it introduces defects and impurity scattering, further deteriorating channel performance. This study resolves this paradox by exploiting the thermodynamic oxidation selectivity between gallium nitride (GaN) and InAlN to selectively convert a GaN cap under the gate region into a wide-bandgap gallium oxynitride (GaON) layer, leaving the InAlN barrier intact. This barrier-friendly approach suppresses MIGS without sacrificing channel quality, achieving a near-theoretical intrinsic electron effective velocity (veff. i = 2.2 × 107 cm/s). The enhanced transport enables record RF performance: (fT/fmax = 240/530) GHz, a noise figure below 1 dB at Ka-band, attributed to suppressed interfacial scattering, and 8 dB line
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SunView 深度解读
该GaON背栅帽层GaN HEMT技术对阳光电源功率器件应用具有重要价值。240/530 GHz的fT/fmax性能和2.2×10⁷ cm/s的电子速度，可显著提升ST系列储能变流器和SG系列光伏逆变器的开关频率至MHz级，降低磁性元件体积30%以上，提高功率密度。选择性等离子体氧化工艺保持势垒层完整性的思路，可借鉴至SiC/GaN功率模块的栅极介质优化，改善三电平拓扑中器件的动态特性。Ka波段低噪声特性对车载OBC和充电桩的EMI抑制有启发意义，有助于满足严格的电磁兼容标准，提升系统可靠性。