研究意义
GaN基HEMTs具有众多优点，其在工作频率、输出功率方面已经得到长足的发展，可以满足通信系统对输出功率需求，使得系统具有更高水平的抵抗外界干扰能力以及更广阔的能量覆盖范围。但是传统 GaN HEMT 器件存在跨导随着栅极电压的增加过快降低，器件线性度较差，使得输入到器件中的大信号超出线性工作区，信号失真以至于传出错误的信息，影响通信系统的通信质量。
为了解决上述问题，本文提出了一种新型的多阈值耦合双沟道InAlN/GaN HEMT (MC-DC HEMT)，利用双沟道及纳米沟道结构，从横向及纵向两个维度实现多阈值耦合，器件栅压摆幅达到7.8 V。该器件结构如图1(a)所示。通过金属化学气相淀积(MOCVD)将异质结淀积在SiC衬底上。下层异质结由一层300 nm的i-GaN和一层8 nm的In0.17AlN势垒层组成。上层异质结由一层10 nm的i-GaN和一层8 nm的In0.17AlN势垒层组成。并且上下两个沟道之间的间距为18 nm。
图 1 (a)MC-DC HEMT结构图；MC-DC HEMT的横截面图在(b)沿aa`方向: 沿栅宽方向，(c)沿bb` 方向: 沿源漏方向的平面区域，和(d)沿cc` 方向: 沿源漏方向的凹槽区域。
本文工作
用等离子体化学气相淀积(PECVD)来淀积一层120 nm SiN钝化层。栅脚用电子束光刻(EBL)定义，通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀来定义200 nm的栅脚。同时栅下方的周期性图形也用EBL进行定义，再用自对准氯基ICP刻蚀栅极区域的InAlN势垒和GaN沟道层，如图2(a)所示。图2(c)展示了该结构的TEM图。如图2(b)，用电子束蒸发镍/金堆叠层形成600 nm栅帽。
图 2 (a)沿栅宽方向的横截面SEM图，凹槽区域宽度(WR)，平面区域的宽度(WP)占一个周期的宽度(Wperiod) 叫做刻蚀比例(α)，此处Wperiod = 1 μm，WP = 800 nm，WR = 200 nm，α = WP/Wperiod = 0.8；(b) 刻蚀区域沿栅长方向横截面SEM图，SiN材料做支撑层的T型栅；(b)中椭圆区域的SEM图放大展示在(c)中，刻蚀深度(HR)定义为上势垒层表面向下的刻蚀深度，此处HR = 18 nm。
实验结果
制备的器件的栅压摆幅(GVS)达到7.8 V，跨导峰值约为216.3 mS/mm。同时，电流增益截至频率(fT)和 最大震荡频率(fmax)在更宽栅压偏置范围内保持恒定34 GHz和72 GHz，并且具有非常出色的线性特性输出三阶交调点(OIP3)38 dBm, 和参考器件相比有10 dBm的提升。
图 3 对比平面和MC-DC HEMT的(a)Gm曲线和(b)转移特性，(c)一阶和(d)二阶跨导；(e)已报道的GaN基HEMTs的GVS和Gm-max的参考图；(f)MC-DC HEMTs的小信号特性，(g)fT和(h) fmax随着Vgs变化的趋势图；(i)对MC-DC HEMT进行了双音功率线性度测量，在3.6 GHz下两输入信号间隔10 MHz。
该新型MC-DC HEMT在跨导，小信号和大信号特性方面均证明线性度有明显改善，表明该技术未来可在射频高线性度应用得以推广。
Sirui AN, Minhan MI, Pengfei WANG, Sijia LIU, Qing ZHU, Meng ZHANG, Zhihong CHEN, Yuwei ZHOU, Jielong LIU, Siyin GUO, Can GONG, Xiaohua MA & Yue HAO. A novel multi-threshold coupling InAlN/GaN double-channel HEMT for improving transconductance flatness. Sci China Inf Sci, doi:10.1007/s11432-022-3720-9
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