近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研发人员成功将氮化镓材料应用于平面栅极场效应晶体管（IPGFET），此器件主要应用于高频射频应用。该器件的独特之处在于采用了栅极（gate）与沟道（channel）在相同平面的设计，并且沟道和栅极之间没有氧化层隔离，而是采用了空气隔离的结构。
图1 165nm宽 250nm长的IPGFET横截面图（a）与俯视扫描电镜图（SEM）（b）（c）（d）研究内容研发人员表示，高频设备同时需要极小的栅极电容与较大的跨导gm（相当于比较小的电阻，跨导与电阻相反）。这些特征正好是IPGFET的优点。
尽管IPGFET可以采用其他的半导体材料生长，但是该研究是首次采用了III族氮化物来生长高性能IPGFET，兼具高载流子密度和高击穿电压的特性。
器件结构
如图1所示，本次的器件结构包括硅基衬底、3.75?m 氮化镓（GaN）缓冲层、300nmGaN 沟道、8nm 氮化铝（AlN）垫层以及23.5nm Al0.25Ga0.75N 阻挡层。二维电子气（2DEG）结构形成于顶部阻挡层与垫层的间隙之中，其拥有1.05x1013/cm2的载流子浓度、1690cm2/V-s电子迁移率以及平均350Ω的单位电阻。
器件的沟道、源极、漏极以及栅极均采用了电子束光刻与感应耦合等离子体刻蚀（ICP）的生长方式，欧姆触点采用钛/铝/镍/金的合金材料。
器件特性
研究人员发现，对于210nm蚀刻深度的样品，在开关比能够达到107的同时漏电流控制在10pA（10-12A）的范围之内。而对于140nm蚀刻深度的样品，漏电流就会比较高，但是总体水平还是小于100pA。
对于电容而言，沟道尺寸宽度在20-85nm的深蚀刻样品电容更低，范围在0.7-3.9 aF（10-18F），相似规格的浅蚀刻样品电容范围是2.2-9.4aF。但是总体水平都在极低的范围内，这一特性非常适合高频射频应用。研究人员预计这种样品的截止频率可以高达0.89 THz。
与此同时，对于使用铟镓砷（InGaAs）材料的IPGFET，采用了III族-氮化物的样品（50nm长 85nm宽）漏极电流（Ids）可以达到1.4A/mm，近乎9倍的性能提升。因此，GaN IPGFET 拥有更大的载流子密度。
除此之外，对于沟道宽度为20nm的IPGFET，跨导gm的峰值可以达到665mS/mm，这一数值是之前记录的5倍，主要原因是栅极结构的优化。
图2 165nm宽 250nm长的IPGFET 漏极和栅极电流特性图如图2所示，在-11V 的栅极电压下，IPGFET的漏电流在300V之前一直维持在较低的水平，并且在500V的时候击穿。由于漏极与栅极都是欧姆接触结构，Ids和Ig的曲线一直都维持在相似的水平。
参考文献
G. Santoruvo and E. Matioli,"In-Plane-Gate GaN Transistors for High-Power RF Applications," in IEEE Electron Device Letters, vol. PP, no. 99, pp. 1-1.
doi: 10.1109/LED.2017.2737658
