厚GaN通道层对复合AlGaN/GaN缓冲AlGaN/GaN HEMT的直流与射频性能影响

本文研究了复合AlGaN/GaN(1/1μm)缓冲层的GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)中，GaN通道层厚度对直流(DC)和射频(RF)性能的影响。该工作发表在2014年IEEE Transactions on Electron Devices第61卷第5期，重点关注的是当通道层厚度增加时，器件性能的变化趋势。 首先，研究发现，随着GaN通道层厚度的增加，虽然HEMT的直流和小信号射频性能（如饱和输出功率、增益和线性失真等）确实会因短通道效应而轻微下降，但这种损失可以通过优化设计来抵消。厚通道的HEMTs表现出显著的优点：在关断状态下，其击穿电压提高，这意味着它们具有更好的可靠性。 特别是在1.5mm厚的GaN通道层样品上，与只有50nm通道厚度的器件相比，其在AB类和B类工作条件下，饱和输出功率（饱和POUT）分别提高了1.4分贝和大约10%，这表明功率效率（功率放大效率，Power Amplifier Efficiency, PAE）也有相应提升。这表明对于某些应用而言，牺牲部分高频性能以换取更高的开关特性是值得的。 此外，脉冲I-V特性分析揭示了厚GaN通道样本中与薄通道相比，缓冲相关的电流崩溃现象有所缓解。这意味着通过增大GaN通道尺寸，可以改善器件的稳定性，这对于功率器件在高温或高压条件下的持续运行至关重要。 这项研究为设计者提供了一个关键的指导，即在权衡直流性能和高频响应的同时，考虑适当增加GaN通道层厚度可能有助于实现更高的功率密度和可靠性，尤其是在那些对功率处理能力有较高要求的应用领域，如无线通信和雷达系统。然而，设计师需要在具体应用中综合考虑所有因素，包括散热、成本和制造复杂性，以找到最优化的解决方案。