Abstract We present a performance enhancement evaluation of n + doped graded InGaN drain/source region-based HfO2/InAlN/AlN/GaN/AlN on SiC metal-oxide-semiconductor high electron mobility transistor (MOS-HEMTs) with a T-shaped gate. Impact on the device characteristics with the inclusion of a HfO2 surface passivation layer and an AlN buffer layer in the MOS-HEMT structure as a performance booster has been analyzed for the HEMT device with 30 nm gate length using Silvaco ATLAS TCAD. The proposed MOS-HEMT exhibits an outstanding performance, with an enhanced power gain cut-off frequency (fmax) of 366 GHz, a current gain cut-off frequency (ft) of 426 GHz, and a off-state breakdown voltage (Vbr) of 81 V. The high-k (high permittivity) HfO2 based metal oxide semiconductor HEMT device experiences a low off-state gate leakage current (Ig ~ 10−11A/mm) and a high Ion/Ioff ratio of 109. The InAlN/GaN/AlN heterostructures demonstrate improved two-dimensional electron gas (2DEG ~ 5.3 × 1013 cm−2), carrier mobility (μ) of 1256 Cm2/V-s and drain current density of (Ids) 2.7 A/mm. A large signal analysis performed at 30 GHz yielded a maximum of 28% power-added efficiency. The high JFoM of 34.506 THz V (Johnson Figure of Merit = ft × Vbr) and (ft.fmax)1/2 of 394.86 GHz indicate the potential applicability of the HfO2/InAlN/GaN MOS-HEMTs in high-frequency and high-power applications.

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用于高功率微波应用的具有 AlN 缓冲层的 HfO2/InAlN/AlN/GaN HEMT 的性能分析

摘要 我们在具有 T 形栅极的 SiC 金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管 (MOS-HEMT) 上提出了基于 n + 掺杂梯度 InGaN 漏/源区的 HfO2/InAlN/AlN/GaN/AlN 的性能增强评估. 使用 Silvaco ATLAS TCAD 分析了在 MOS-HEMT 结构中包含 HfO2 表面钝化层和 AlN 缓冲层作为性能增强器对具有 30 nm 栅极长度的 HEMT 器件对器件特性的影响。所提出的 MOS-HEMT 具有出色的性能，增强的功率增益截止频率 (fmax) 为 366 GHz，电流增益截止频率 (ft) 为 426 GHz，断态击穿电压 (Vbr) 81 V。高 k（高介电常数）HfO2 基金属氧化物半导体 HEMT 器件具有低截止态栅极漏电流 (Ig ~ 10-11A/mm) 和 109 的高 Ion/Ioff 比。 InAlN/GaN/AlN 异质结构展示了改进的二维电子气 (2DEG ~ 5.3 × 1013 cm-2)、1256 Cm2/Vs 的载流子迁移率 (μ) 和 (Ids) 2.7 A/mm 的漏电流密度。在 30 GHz 下执行的大信号分析产生了最大 28% 的功率附加效率。34.506 THz V 的高 JFoM（约翰逊品质因数 = ft × Vbr）和 394.86 GHz 的 (ft.fmax)1/2 表明 HfO2/InAlN/GaN MOS-HEMT 在高频和高频方面的潜在适用性电源应用。载流子迁移率 (μ) 为 1256 Cm2/Vs，漏电流密度 (Ids) 为 2.7 A/mm。在 30 GHz 下执行的大信号分析产生了最大 28% 的功率附加效率。34.506 THz V 的高 JFoM（约翰逊品质因数 = ft × Vbr）和 394.86 GHz 的 (ft.fmax)1/2 表明 HfO2/InAlN/GaN MOS-HEMT 在高频和高频方面的潜在适用性电源应用。载流子迁移率 (μ) 为 1256 Cm2/Vs，漏电流密度 (Ids) 为 2.7 A/mm。在 30 GHz 下执行的大信号分析产生了最大 28% 的功率附加效率。34.506 THz V 的高 JFoM（约翰逊品质因数 = ft × Vbr）和 394.86 GHz 的 (ft.fmax)1/2 表明 HfO2/InAlN/GaN MOS-HEMT 在高频和高频方面的潜在适用性电源应用。