宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展 西电郝跃院士团队在320GHz millimeter-wave GaN器件上的突破

引言

随着5G/6G通信、雷达探测、空天技术等领域的迅猛发展，对高频、大功率、高温电子器件的需求日益迫切。传统Si和GaAs器件受限于材料特性，难以满足毫米波频段的高功率输出要求。以GaN为代表的宽禁带（WBG）半导体和以Ga₂O₃、AlN、金刚石等为代表的超宽禁带（UWBG）半导体，凭借其高击穿场强、高饱和电子速度、高热导率等优势，成为突破性能瓶颈的关键技术路径。西安电子科技大学郝跃院士团队长期深耕宽禁带半导体器件领域，近期在320GHz毫米波GaN器件上取得重要进展，为太赫兹频段应用奠定了坚实基础。

技术与器件突破

1. 宽禁带半导体：GaN基毫米波器件

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）是毫米波功率器件的核心。团队通过能带工程与工艺优化，显著提升了器件的频率特性：

• 增强型MIS-HEMT结构：采用Al₂O₃/HfO₂叠层栅介质，有效抑制栅漏电，提高击穿电压，同时通过T型栅降低栅电阻，使电流增益截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）大幅提升。
• 渐变AlGaN背势垒：引入Al组分渐变背势垒，增强二维电子气（2DEG）限域性，抑制短沟道效应，提升线性度和输出功率。
• 先进T型栅工艺：利用电子束光刻与剥离技术，实现栅脚长度小于100 nm的T型栅，显著降低栅电容，提高频率。

基于上述技术，团队成功研制出f_max超过320 GHz的GaN HEMT器件，并在W波段（75-110 GHz）和G波段（140-220 GHz）展现出高功率密度和效率，为毫米波通信和成像系统提供了核心芯片。

2. 超宽禁带半导体：Ga₂O₃、AlN、金刚石器件探索

超宽禁带半导体具有更大的禁带宽度（>4 eV），可承受更高击穿电压和更高工作温度，在深紫外探测、高压电力电子等领域潜力巨大。

• Ga₂O₃器件：团队通过MOCVD和HVPE生长高质量β-Ga₂O₃外延膜，并研制出MOSFET和SBD器件，击穿电压超过2 kV，比导通电阻低至mΩ·cm²量级，但受限于低热导率，需通过异质集成改善散热。
• AlN器件：利用AlN的高热导率和高击穿场强，开发了AlN/AlGaN HEMT，在高温下表现出稳定的输出特性，有望应用于高温高频场景。
• 金刚石器器件：通过表面氢终端实现二维空穴气，研制出金刚石FET，电流密度达数百mA/mm，耐压超过1 kV，是极端环境电子学的理想候选。

320 GHz毫米波GaN器件：关键技术挑战与解决方案

320 GHz处于太赫兹频段低频端（ITU命名为G波段以上），对器件提出了近乎极限的要求。团队攻克了以下核心难题：

• 栅长缩放与寄生效应：将栅长缩短至50 nm以下，同时采用空气桥互连和低k介质降低寄生电容，保证f_max不随栅长减小而退化。
• 欧姆接触优化：通过Ti/Al/Ni/Au快速热退火，将接触电阻降至0.1 Ω·mm以下，减少源漏寄生电阻，提升跨导和频率。
• 异质结外延质量：采用MOCVD生长AlN/GaN异质结，界面陡峭度高，2DEG迁移率超过2000 cm²/(V·s)，为高频率奠定基础。
• 热管理：引入SiC衬底和金刚石钝化层，降低沟道温度，确保器件在高频大功率下可靠工作。

测试结果表明，该器件在320 GHz下仍具有明显的电流增益和功率增益，最大振荡频率f_max达到320 GHz，刷新了国内GaN毫米波器件的纪录。

应用前景与展望

320 GHz GaN毫米波器件将在以下领域发挥关键作用：

• 6G通信：太赫兹频段可实现100 Gbps以上的超高速数据传输，GaN器件是基站和终端射频前端的核心。
• 雷达与成像：高分辨率毫米波雷达可应用于自动驾驶、无人机避障和人体安检。
• 空天电子：在卫星通信、空间探测中，GaN器件的高温、抗辐照特性使其成为理想选择。
• 超宽禁带器件：随着Ga₂O₃、金刚石等材料与工艺的成熟，未来有望在高压电力电子、深紫外光电子等领域实现革命性突破。

郝跃院士团队的工作不仅推动了我国宽禁带半导体器件迈入太赫兹时代，也为超宽禁带半导体的实用化奠定了科学基础。通过材料、器件、电路协同设计，我们有理由期待更高速、更高效、更可靠的半导体器件为信息技术带来新的变革。