缓变凹槽结构高线性GaN HEMT毫米波器件研究

In order to solve the problem of the poor transconductance flatness of GaN millimeter-wave HEMT induced excess gain compression, poor linearity and signal distortion. Based on the theory of threshold regulation and transconductance compensation, the transitional recessed gate structure is proposed, and the research of high linearity GaN millimeter-wave HEMT is carried out by utilizing the characteristics of threshold voltage and transconductance peak changing continuously along the gate width. The research contents are mainly included two aspects: firstly, the theoretical research is carried out to reveal the main factors affecting the linearity of transconductance and guide the design of transitional recessed gate structure; secondly, based on the device structure simulation results, the key technology and experimental research are specific carried out to develop high linear AlGaN/GaN high efficiency millimeter-wave devices. This project not only has important scientific significance in realizing high linearity devices to solve the major theoretical problems of GaN HEMT, but also has strong practical value to provide high-performance core components for mobile communication applications.

针对GaN HEMT毫米波器件跨导平坦度较差引起的器件增益在较大输入功率时压缩较快、线性度差，引起信号失真等问题。本项目基于阈值调控与跨导补偿理论，创新性的提出缓变凹槽结构，利用此种器件结构中阈值电压、跨导峰值沿栅宽方向连续变化的特点，开展高线性GaN HEMT毫米波器件研究。研究内容主要分为两个方面，一是进行理论研究，揭示影响GaN HEMT器件跨导线性度的主要因素，指导开展缓变凹槽器件结构设计；二是基于器件结构的仿真研究结果，有针对性的开展关键工艺及实验研究，研制出高线性AlGaN/GaN高效率毫米波器件。本项目的研究不仅具有重要的科学意义，解决GaN HEMT器件在线性度方面的重大理论难题，同时还具有很强的实用价值，能够为移动通讯等应用领域提供高性能核心电子元器件。

针对氮化镓毫米波器件跨导平坦度较差引起的器件增益在大功率时压缩较快、线性度差，引起信号失真的问题。本项目提出了阈值调控与跨导补偿理论、缓变凹槽结构，利用该技术阈值电压、跨导峰值沿栅宽方向连续变化的特点，研制出高线性氮化镓毫米波器件。研究内容主要分为两个方面，一是进行理论研究，揭示了影响氮化镓器件跨导线性度的因素，开展了缓变凹槽结构参数设计，通过具有不同阈值的器件元素进行了跨导的相互补偿，抑制了器件输出信号中的高次谐波分量；二是基于设计的缓变凹槽结构开展电子束光刻工艺、低损伤刻蚀工艺以及等离子体氧化技术，实现了在栅宽方向上具有渐进凹槽的器件，研制出的高线性AlGaN/GaN毫米波器件超过2.9 V的超宽跨导平台，30 GHz下在相同的输入功率范围内，缓变凹槽结构器件在的功率增益的压缩比平面器件要慢一倍，约为 2 dB；在双音三阶交调测试中，缓变凹槽结构HEMT 在A类偏置下相比平面器件实现了高达 9 dBc 的线性度提升。发表论文SCI论文11篇，会议论文8篇；申请发明专利6项，授权专利2项；培养博士研究生6名、硕士研究生7名。本项目的研究成果不仅具有重要的科学意义，解决GaN HEMT器件在线性度方面的重大理论难题，同时还能够为移动通讯等应用领域提供高性能核心电子元器件。