IEDM2024 | III-V材料射频器件研究进展

简介

III-V材料(特别是砷化铟镓和砷化铟)具有独特的材料特性，使其在射频电子器件领域具有广泛应用。这些材料具有较小的有效质量，可以降低本征电容并延长电子平均自由程，从而实现低功耗、高频率运行，并可用于量子应用。磷化铟高电子迁移率晶体管(InP HEMT)已经展示出优异的射频性能，最大振荡频率超过1THz。然而，进一步缩小尺寸面临挑战。将高k栅氧化层集成用于栅极绝缘为提升器件性能和持续缩小尺寸提供了新方向[1]。

1物理建模与电容分析

针对二维III-V场效应晶体管的本征射频性能，可以采用一个简化但准确的三电容模型，结合近弹道输运特性进行分析。在饱和区，本征栅极电容可以用三个串联电容来建模：氧化物/势垒电容(Cox)、量子/态密度电容(Cq)和电荷质心电容(Cc)。对于缩小尺寸的砷化铟镓场效应晶体管，这三种电容都对总栅极电容Cg产生显著影响。

图1：展示了(a)非准静态小信号模型的本征和寄生电容，(b)量子阱场效应晶体管本征栅极电容的基本方程，以及(c)射频增益模型计算结果。

2低温性能与挑战

在低温环境下运行III-V金属氧化物半导体场效应晶体管会导致晶体管物理特性发生显著变化。电子迁移率与二维载流子浓度呈强相关性，由于电子动能降低导致散射增加，迁移率几乎与载流子密度呈线性下降关系。此外，能带尾效应会导致能带边缘态密度变得模糊，限制了低温下的反向亚阈值摆幅。

图2：显示了(a)不同温度下的低场迁移率变化，(b)磁阻测量得到的长沟道电流和电荷特性，以及(c)带尾效应影响下的最小亚阈值摆幅行为。

3器件结构与实现

研究人员开发了多种III-V金属氧化物半导体场效应晶体管结构，包括平面型、横向纳米线和垂直纳米线配置。对于横向场效应晶体管，基于外延重生长的器件展现出优异的本征性能，具有高跨导(gm)和低导通电阻(Ron)，但制作工艺较为复杂。

图3：III-V场效应晶体管结构概述，包括(a)凸起的n+结构，(b)平面器件的TEM视图，(c)横向纳米线的SEM图像，(d)MOSHEMT结构，(e)MOSHEMT俯视图，(f)垂直纳米线设计，以及(g)截面图像。

4性能指标与比较

III-V金属氧化物半导体场效应晶体管的最新研究取得了显著进展。优化设计的MOSHEMT结构实现了与III-V高电子迁移率晶体管相当的低栅漏电容(Cgd,t≈0.15fF/μm)。尽管由于制程对沟道的损伤可能导致本征跨导较低，但较低的栅漏电容使器件获得了19 dB的高MSG20值。

图4：性能特性展示，包括(a)MOSHEMT结构，(b)转移特性，(c)电容测量，(d)微波增益，(e)非准静态效应，以及(f)漏源电压对增益的影响。

5发展方向

III-V金属氧化物半导体场效应晶体管/高电子迁移率晶体管在射频应用方面表现出良好性能，已接近磷化铟高电子迁移率晶体管的性能水平。在III族氮化物上集成高k氧化层为功率电子器件带来新机遇，特别是在垂直结构方面。此外，这些器件在量子技术领域也具有应用潜力，包括与超导元件的集成等方向。

参考文献

[1] E. Lind and N. S. Garigapati, "III-V MOSFETs for RF Applications," IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 2024.

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