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基于氩中性束刻蚀的E模凹栅GaN MOSHEMT实现1.48 dB噪声系数用于低噪声放大器应用
1.48-dB-Noise Figure E-Mode Recessed-Gate GaN MOSHEMT by Argon-Based Neutral Beam Etching for LNA Applications
| 作者 | Wenbo Ye · Junmin Zhou · Han Gao · Haowen Guo · Yitian Gu · Xinbo Zou |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 低噪声放大器 氩基中性束蚀刻 器件特性 高性能低噪声放大器 |
语言:
中文摘要
本研究针对低噪声放大器（LNA）应用，对氮化镓（GaN）增强型（E 型）凹槽栅高电子迁移率晶体管（HEMT）的器件特性进行了全面表征和研究。通过低损伤的基于氩气的中性束蚀刻（Ar - NBE）技术，凹槽栅 HEMT 实现了 0.5 V 的正电压阈值（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V} _{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula>）、148 mS/mm 的最大跨导（gm）以及 2.39 nA/mm 的导通态栅极漏电流（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I} _{\text {G}}$ </tex - math></inline - formula>）。在 2 GHz 的工作频率下，该器件呈现出 1.48 dB 的最小噪声系数（NFmin）、14.43 dB 的相关增益（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${G} _{\text {a}}$ </tex - math></inline - formula>）以及 40.2 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$\Omega $ </tex - math></inline - formula>的等效噪声电阻（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R} _{\text {N}}$ </tex - math></inline - formula>）。当频率增加到 3.5 GHz 时，NFmin 略微增加至 1.95 dB。此外，该器件在 2 GHz 时获得了 9.6/27.8 GHz 的截止频率（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${f} _{\text {T}}$ </tex - math></inline - formula>/<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${f} _{\text {MAX}}$ </tex - math></inline - formula>）以及 10.3 dBm 的输入三阶截点（IIP3）。这项工作为实现高性能 E 型 LNA 提供了一种有前景的策略。
English Abstract
In this study, the device properties of gallium nitride (GaN) enhancement-mode (E-mode) recessed-gate high-electron-mobility transistor (HEMT) are thoroughly characterized and investigated for low-noise amplifier (LNA) applications. Through low-damage argon-based neutral beam etching (Ar-NBE) technology, the recessed-gate HEMT achieves a positive voltage threshold ( V _ TH ) of 0.5 V, a maximum transconductance (gm) of 148 mS/mm, and an on-state gate leakage current ( I _ G ) of 2.39 nA/mm. The device reveals a 1.48-dB minimum noise figure (NFmin), a 14.43-dB associated gain ( G _ a ), and a 40.2- equivalent noise resistance ( R _ N ), at a working frequency of 2 GHz. As the frequency increases to 3.5 GHz, the NFmin slightly increases to 1.95 dB. In addition, the device obtained a cutoff frequency ( f _ T / f _ MAX ) of 9.6/27.8 GHz and an input third-order interception point (IIP3) of 10.3 dBm at 2 GHz. This work provides a promising strategy for the implementation of high-performance E-mode LNAs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于氩离子中性束刻蚀技术的增强型GaN MOSHEMT器件研究具有重要的战略参考价值，但其直接应用价值相对有限。
该论文聚焦于低噪声放大器（LNA）应用的GaN器件优化，实现了1.48 dB的超低噪声系数和0.5V的正阈值电压。从技术角度看，增强型GaN器件的常开特性对电路安全设计具有积极意义。然而，阳光电源的核心业务——光伏逆变器和储能变流器主要关注功率转换效率、高压大电流处理能力和系统可靠性，而非射频信号处理的低噪声特性。该器件9.6/27.8 GHz的截止频率虽然优秀，但对于工作在工频或数十kHz开关频率的功率电子设备而言，这种高频特性并非关键指标。
尽管如此，该研究展示的中性束刻蚀技术对GaN材料的低损伤加工能力值得关注。这种精密加工工艺可能为开发高性能功率GaN器件提供技术借鉴，特别是在提升器件阈值电压控制精度、降低栅极漏电流方面。对于阳光电源正在推进的高功率密度逆变器和储能PCS产品，如果能将类似的低损伤工艺应用于功率级GaN HEMT的制造，可能有助于提升器件的开关特性和可靠性。
技术成熟度方面，该研究仍处于实验室阶段，距离大规模商业化应用尚有距离。对阳光电源而言，建议持续跟踪GaN功率器件的工艺进展，重点关注能够提升功率密度、转换效率和热管理性能的技术突破，而非单纯的射频低噪声特性。