高功率密度和低微波噪声系数的C波段β-Ga₂O₃-on-SiC射频MOS

由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 C-Band β-Ga2O3-on-SiC RF Power MOSFETs With High Output Power Density and Low Microwave Noise Figure（具有高功率密度和低微波噪声系数的 C 波段 β-Ga2O3-on-SiC 射频功率 MOSFET）的文章。

Part.1/ 项目支持

本研究部分由国家自然科学基金委员会（NSFC）资助，项目编号为62222407、62421005，部分由广东省基础与应用基础研究基金资助，项目编号为2023B1515040024。

Part.2/ 背 景

β-氧化镓（β-Ga2O3）因其极高的临界击穿场强和优异的巴利加优值，被认为是继 GaN 和 SiC 之后，制造下一代射频（RF）和功率电子器件的极具潜力的材料。然而，β-Ga2O3 的一个核心缺点是其极低的热导率，这会导致器件在 RF 大功率工作时产生严重的自热效应，极大地限制了其性能输出。将 Ga2O3 薄膜异质外延生长在具有高热导率的碳化硅衬底上，是解决其散热问题的关键策略。对于 RF 功率放大器应用，器件需要同时具备高输出功率密度、高附加功率效率（PAE）和低噪声系数。在单一器件中同时实现这些高性能指标是一个巨大的挑战。

Part.3/ 主要内容

在本研究中，研究团队证明了通过采用高掺杂通道以降低通道电阻，并使用高热导率的 SiC 衬底以增强散热性能，β-Ga2O3-on-SiC 射频功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）可在 C 频段应用中实现高输出功率密度（Pout）。通过此设计，β-Ga2O3-on-SiC 射频 MOSFET 展现出 730 mA/mm 的漏极电流密度（ID）和 81 mS/mm 的峰值跨导（gm）。由此，截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）分别达到 19.2 GHz 和 35.3 GHz。在高漏极偏压（VDS）工作条件下，由于自加热效应得到抑制，射频功率性能表现优异，输出功率密度（Pout）在 4 GHz 时为 3.5 W/mm，在 6 GHz 时为 3.2 W/mm。据作者所知，这是 C 频段所有 β-Ga2O3 射频功率场效应晶体管中最高的 Pout 值。此外，本研究还探讨了 β-Ga2O3 射频 MOSFET 在 2–15 GHz 频率范围内的微波噪声特性。该器件在 2 GHz 时可实现最低噪声系数（NFmin）为 1.4 dB，在 4–6 GHz 时为 1.8–2.5 dB。具有高掺杂通道和高热导率衬底的 β-Ga2O3 射频功率 MOSFET 验证了其在未来高功率、高频和低噪声射频电子学中的巨大潜力

Part.4/ 创新点

● 首次在单一的 β-Ga2O3 RF 晶体管中，同时实现了高输出功率密度、高效率和极低的噪声系数。

● 成功利用了 Ga2O3-on-SiC 异质集成平台来克服 Ga2O3 的散热瓶颈，并将其应用于要求严苛的 RF 功率领域。

● 实验证明了 Ga2O3 器件在低噪声性能方面具有比肩甚至超越传统 HEMT 的潜力。

● 将 Ga2O3 RF 器件的性能推进到了一个新的高度，使其成为下一代通信和雷达系统中 RF 功率放大器的有力竞争者。

Part.5 结 论

研究团队成功制备了基于 β-Ga2O3/SiC 复合结构的 C 波段高射频功率 MOSFET。通过采用高掺杂的 β-Ga2O3/SiC 复合结构，实现了对电流崩溃的精确控制、通道电阻的显著降低以及热量散发的有效提升。该器件展现出优异的性能，包括 730 mA/mm 的高电流密度、81 mS/mm 的峰值跨导，以及在 4 GHz 时 Pout = 3.5 W/mm、PAE = 15.1%，在 6 GHz 时 Pout = 3.2 W/mm、功率附加效率为 7.8%。同时，报告了氧化物射频晶体管的微波噪声特性，其中在 2 GHz 时 NFmin 为 1.4 dB，在 4–6 GHz 时为 1.8–2.5 dB。这些结果表明，β-Ga2O3-on-SiC 射频功率 MOSFET 在未来高频、高功率和低噪声应用中具有巨大潜力。

图1. (a) 基于SiC衬底的β-Ga2O3射频MOSFET的三维截面示意图。 (b) β-Ga2O3-on-SiC 射频功率 MOSFET 的关键制造工艺步骤。(c) β-Ga2O3Ga2O3/SiC 样品的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。 (d) 经食人鱼溶液处理的 β-Ga2O3 薄膜的原子力显微镜（AFM）图像。 (e) 设备聚焦离子束（FIB）截面图像。 (f) 顶视扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2. 表现良好的（a）对数坐标 ID&IG–VGS，（b）线性坐标 ID–VGS 以及 gm–VGS，（c）线性坐标 ID–VDS 特性，适用于 β-Ga2O3-on-SiC 射频功率 MOSFET。(d) 当器件在固定 VGS = 6 V 条件下，分别施加(VGSQ, VDSQ) = (0, 0 V)、(−10, 0 V)和(−10, 24 V)偏压时，其脉冲 ID–VDS 测量结果。脉冲宽度和占空比分别为 50 µs 和 1%。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3558492

文章源自IEEE Transactions on Electron Devices，联盟编译整理。