前言

虽然一些最早的氮化镓高电子迁移率晶体管生长在蓝宝石衬底上，半绝缘碳化硅和硅衬底已经成为两种最常用的衬底。支持碳化硅的主要理由是其高热导率和高电阻率，而硅的主要理由是低成本和大面积能力。虽然蓝宝石也是一种成本较低的衬底，并广泛用于氮化镓基发光二极管的制造，但由于其导热性差的影响，它尚未广泛用于射频和毫米波HEMT器件。然而，在毫米波频率下，产生高效高输出功率密度(Po)的能力受到器件增益的限制，可以考虑使用蓝宝石衬底。

研究内容

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员回到蓝宝石衬底的使用平台，同时在SiC上开发的器件取得了几项进步。对于深凹槽结构，穿过氮化镓盖层的栅极凹槽导致边缘电容，限制了器件的增益。因此，在这项工作中，氮化镓帽的厚度从典型的47.5纳米厚度减少到20纳米。此外，这项工作还研究了在双苯并环丁烯(BCB)封装晶体管对小信号增益的影响。BCB是一种旋涂电介质，通常用于射频布线环境和三伏工艺中，但会增加器件上的电介质负载，导致增益降低。

实验方法

该报告中的器件是使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在错切蓝宝石衬底上生长的。除了使用蓝宝石衬底之外，这项工作中的器件相对于最近报道的在碳化硅衬底上的N极深凹HEMTs还有几个其他的结构差异。氮化镓帽的厚度减少到20纳米，以减少边缘电容，同时仍然保持高存取区沟道电导率(249Ω/sq)。这些器件是使用自对准深凹槽工艺流程制造的，在完成晶体管之后还有两个额外的工艺步骤。样品用20纳米的等离子体化学气相沉积氮化硅钝化，以提高功率性能，并作为BCB的粘合层，随后在N2清洗烘箱中于250℃进行涂覆和固化。使用O2/CF4蚀刻形成穿过BCB的焊盘开口。

双极深凹槽HEMT的横截面示意图，包括等离子体化学气相沉积氮化硅钝化和BCB封装。

5.94GHz功率扫描结果

在12伏和14伏时，该器件的性能与碳化硅上的双极氮化镓相匹配。

结论

该工作研究了生长在蓝宝石衬底上的N极氮化镓深凹HEMTs的性能。在94千兆赫时，该器件显示出高达5.5瓦/毫米的输出功率，相关的功率放大器为20.6%。这种功率性能与先前报道的类似的N极深凹槽器件相比是有利的，这些器件生长在更导热的碳化硅衬底上，并且显示出比在W波段工作的Ga极氮化镓基器件观察到的功率高得多。此外，还研究了SiN钝化和BCB封装的影响。相对于晶体管的固有增益，这是一个显著的损失，表明引入布线环境的替代方法可能是优选的。

N-polar GaN-on-Sapphire Deep Recess  HEMT s with High W-Band Power Density。