近日，微電子所劉新宇研究員團隊以PEALD 沉積SiN作為柵介質，成功研制出高性能毫米波MIS-HEMT，并通過遠程等離子體預處理（RPP）技術，在EC - ET > 0.4 eV條件下, 界面態(tài)密度達到了6×1011 cm-2 eV-1~2.1×1012 cm-2 eV-1，實現(xiàn)了低界面態(tài)密度，減小了器件的關態(tài)泄漏電流，保證了器件具有良好的閾值電壓穩(wěn)定性。與常規(guī)HEMT器件相比，MIS-HEMT器件溝道載流子遷移率顯著提高，器件電流崩塌效應得到抑制，在30GHz連續(xù)波測試中，實現(xiàn)了7.05W/mm的功率密度，峰值效率51.4%。
GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）在功率放大器和無線通訊領域具有廣泛的應用前景，目前GaN器件的工作頻段已進入毫米波段。隨著器件工作頻率的提高，需要等比例縮小器件尺寸。然而，降低勢壘層的厚度，導致二維電子氣（2DEG）密度降低；柵長的縮短降低了柵極金屬對溝道載流子的控制能力，增加了泄漏電流；柵槽刻蝕引入的損傷造成了溝道載流子散射嚴重，遷移率下降，2DEG的退化傳輸特性制約了毫米波器件性能的提升。通過在柵金屬和半導體之間增加一層絕緣材料，形成金屬-介質-半導體（MIS）結構可有效改善2DGE的遷移率，使MIS結構在降低器件柵漏電流和提高器件擊穿電壓等方面具有明顯的優(yōu)勢。
氮化硅（SiN）是目前較多采用的柵介質材料，其與III-N界面處可以形成較大的導帶偏移（ΔEC），有利于降低漏電流，更重要的是在沉積SiN過程中可以使用非氧前驅體材料，降低界面態(tài)密度。目前報道柵介質材料的射頻器件主要集中在低頻段，毫米波MIS射頻器件的研究較少。
劉新宇研究員團隊開發(fā)了等離子增強型原子層淀積SiN生長技術，通過優(yōu)化介質沉積前的表面處理技術，結合遠程等離子體預處理（RPP）技術，實現(xiàn)了高性能毫米波GaN MIS-HEMT器件。該器件具有低泄漏電流和電流崩塌效應，與常規(guī)肖特基柵結構HEMT器件對比，柵介質層的引入有效降低了載流子的散射，將溝道載流子遷移率提升18%。改善的2DEG輸運特性促進了MIS-HEMT器件的輸出功率密度，在30GHz連續(xù)波測試下實現(xiàn)了7.05W/mm的輸出，峰值附加功率效率51.4%，對比發(fā)現(xiàn)，毫米波MIS-HEMT器件在提升器件功率特性、降低器件泄漏電流等方面具有顯著的優(yōu)勢，為提高毫米波頻段器件性能提供了新的技術路線。
該團隊在GaN毫米波MIS-HEMT器件方面進行了一系列深入的研究，相關研究成果分別發(fā)表于國際電機電子工程師協(xié)會期刊IEEE Electron Device Letters（DOI： 10.1109/LED.2021.3105817）， IEEE Trans. Electron Devices（DOI：10.1109/TED.2020.3037888）、VACUUM（DOI：10.1016/j.vacuum.2021.110359），論文第一作者為張昇，通信作者為魏珂、劉新宇研究員。
圖（a）和（b）毫米波MIS-HEMT器件結構圖和TEM圖； HEMT器件和MIS-HEMT器件（c）反向肖特基漏電流（d）2DEG遷移率；(e)30GHz下MIS-HEMT器件功率測試；（f）26GHz—40GHz文獻報道的毫米波HEMT和MIS-HEMT器件功率特性
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