具有低噪声及高线性度的高性能MOCVD-SiNx/AlN/GaN 毫米波MIS-HEMTs
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作者单位:

中国科学院微电子研究所高频高压器件与集成研发中心

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中图分类号:

O48

基金项目:

国家自然科学基金项目(面上项目,重点项目,重大项目)


High-performance MOCVD-SiNx/AlN/GaN MIS-HEMTs with Low Noise and High Linearity for Millimeter Waves
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High-Frequency High-Voltage Device and Integrated Circuits R D Center,Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences

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    摘要:

    文章在超薄势垒AlN/GaN异质结构上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)原位生长SiNx栅介质,成功制备了高性能的SiNx/AlN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)。深能级瞬态谱(DLTS)技术测试SiNx/AlN的界面信息,显示其缺陷能级深度为0.236 eV,俘获截面为3.06×10-19 cm-2,提取的界面态密度为1010~1012 cm-2eV-1,表明MOCVD原位生长的SiNx可以有效降低界面态。同时器件表现出优越的直流、小信号和噪声性能。栅长为0.15 μm的器件在2 V的栅极电压(Vgs)下具有2.2 A/mm的最大饱和输出电流,峰值跨导为506 mS/mm。小信号测试结果显示,器件的最大电流截止频率(fT)和最大功率截止频率(fMAX)分别达到了65和123 GHz,可以满足毫米波应用的需求。基于冷源法测试,该器件在40 GHz下的最小噪声系数(NFmin)为1.07 dB,增益为 9.93 dB。Vds = 6 V时对器件进行双音测试,器件的三阶交调输出功率(OIP3)为32.6 dBm,OIP3/Pdc达到11.2 dB。得益于高质量的SiNx/AlN界面,SiNx/AlN/GaN MIS-HEMT显示出了出色的噪声及卓越的线性度。这意味着该器件在低噪声、高线性的毫米波领域具有相当的应用潜力。

    Abstract:

    In this paper, we demonstrated SiNx/AlN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron mobility transistors (MIS-HEMTs) with low noise and high linearity, by in-situ growth of SiNx gate dielectrics on ultra-thin barrier AlN/GaN heterostructure. Deep-level transient spectroscopy (DLTS) shows a traps-level depth of 0.236 eV, a capture cross-section of 3.06×10-19 cm-2, and an extracted interface state density of 1010 to 1012 cm-2eV-1; comfirming the efficiency of the grown SiNx in reducing the interface state. The devices exhibit excellent DC, small signal, and power performance, with a maximum saturation output current (Idmax) of 2.2 A/mm at the gate voltage (Vgs) of 2V and the gate length of 0.15 μm, a maximum current cutoff frequency (fT) of 65 GHz, a maximum power cutoff frequency (fMAX) of 123 GHz, a minimum noise figure (NFmin) of the device of 1.07 dB and the gain of 9.93 dB at 40 GHz. The two-tone measurements at the Vds of 6V, yield a third-order intermodulation output power (OIP3) of 32.6 dBm, and OIP3/Pdc of 11.2 dB. Benefited from the high-quality SiNx/AlN interface, the MIS-HEMTs exhibited excellently low noise and high linearity, revealing its potential in applications of millimeter waves.

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  • 收稿日期:2023-07-14
  • 最后修改日期:2023-10-08
  • 录用日期:2023-10-10
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