在传统SiC衬底上的GaN HEMT中，衬底和氮化物外延层之间的晶格常数差异是显著的。因此，在缓冲层和沟道层中存在位错是不可避免的。此外，由于位错导致的点缺陷的影响显著，降低了GaN HEMT的电性能（如器件漏极电流）。另一方面，对于在AlN自支撑衬底上生长的GaN HEMT结构，AlN和GaN之间的晶格常数差异相对较小。因此，外延层中的位错可以减少到104~105cm-2。在AlN衬底上的AlGaN/GaN HEMT的最新关键技术进步有：将器件工作电压提高到70V，在X波段的饱和输出功率密度可达15.2W/mm。
2021年，J.Kotani等人报道了高功率GaN HEMT的研究现状及基于AlN器件的发展前景。在AlN自支撑衬底上成功制备了AlGaN/GaN HEMT，可实现X波段的高功率输出。外延材料结构由200nm厚的GaN沟道和Al组分为30%的AlGaN缓冲层组成。T形栅长为0.5μm，栅-漏间距为3μm器件的最大漏极电流密度为1.1A/mm，击穿电压为260V。而在传统的SiC衬底上的HEMT很难实现这一性能，因为要增加器件的漏极电流必须增加2DEG密度，这将会导致沟道中电场的严重聚集，阻碍器件具有高的工作电压。该器件的工作电压为70V，在X波段的饱和输出功率密度为15.2W/mm。
为了获得高的GaN HEMT频率性能，需要收缩器件尺寸和优化外延叠层，特别是势垒层的厚度。当栅极长度尺寸缩小时，一定要同步减小栅极到沟道的距离以避免器件的短沟道效应。通过减小势垒层的厚度不仅可以提高器件的功率增益并增加功率附加效率，还可减小势垒层中的应力，提高了器件的可靠性。近几年，在采用超宽禁带AlN等超薄势垒层、耦合沟道和梯度背势垒以增强GaN HEMT性能的关键技术进步有：采用3.0nm厚的超薄AlN势垒层的AlN/GaN HEMT的最大漏极电流密度为1.2A/mm，fT和fmax分别为63GHz和300GHz，在40GHz和94GHz下的输出功率密度分别为8.3W/mm和4W/mm；Q波段AlN/GaN HEMT在高温度（底板温度为140℃）和在VDS=20V时保持完全稳定；厚度为3nm超薄AlN势垒层的AlN/GaN HEMT在40GHz时具有大于70%的PAE；基于AlN/GaN的数字合金势垒新结构的90nmGaN HEMT的最大直流电流密度为1.4A/mm，在35GHz下的峰值PAE为51%，输出功率密度为2.25W/mm；3nm厚的In0.18Al0.82N势垒层的In0.18Al0.82N/AlN/GaN HEMT的fT和fmax分别达到228GHz和287GHz；8.5nm厚的In0.08Al0.73Ga0.19N势垒层的Si基AlInGaN/GaN HEMT的JFOM值为8.1THz·V；In0.13Al0.83Ga0.04N/AlN/GaN/In0.04Ga0.96N HEMT的最大漏极电流为3.45A/mm，fT和fmax分别为346GHz和428GHz；10nm厚的Al0.2Ga0.8N帽层势垒的常关p-GaN/AlN/AlGaN/GaN HEMT提高了栅极的可靠性；AlN/GaN/InGaN耦合沟道HEMT可改善器件的跨导和增益线性；梯度背势垒可改善凹槽栅InAlN/AlN/GaN HEMT的线性。
2019年，K.Harrouche等人报道了用于毫米波工作的高性能和高鲁棒性AlN/GaN HEMT。采用MOCVD技术在4英寸SiC衬底上外延的多层结构包括：AlN成核层、C掺杂GaN缓冲层、100nm厚的未掺杂的GaN沟道层、3.0nm厚的超薄AlN势垒层。T形栅的栅长为110nm，器件的最大漏极电流密度为1.2A/mm，并具有10μA/mm以下的低泄漏电流密度、130V的高击穿电压，在漏极电压为20V时，fT和fmax分别为63GHz和300GHz。该器件实现了40GHz和94GHz下的大信号特性。在40GHz脉冲模式下，VDS=10V时PAE达到65%；在VDS=40V时，输出功率密度为8.3W/mm，相关的PAE为50%；在94GHz时，该器件的连续波输出功率密度达到了4W/mm。此外，还在室温下进行了40GHz的初步鲁棒性评估，在VDS=20V下，24h的射频监测显示器件性能没有退化。2020年，该研究小组的R.Kabouche等人对高性能Q波段AlN/GaN HEMT的短期可靠性进行了研究。两种异质结构是采用MOCVD技术在4英寸SiC衬底上外延的多层结构，包括：AlN成核层、1μm厚的C掺杂的GaN缓冲层、100nm厚的未掺杂GaN沟道层、3.0nm厚和4.0nm厚的两种超薄AlN势垒层、10nm厚的原位SiN钝化层。栅-漏间距为1.5μm，栅长为110nm，4nm厚AlN势垒层器件的PAE为50%（在VDS=10V时），饱和输出功率密度（Pout）为1.5W/mm；在VDS=20V时，PAE为45%，Pout为2.9W/mm。3nm厚的AlN势垒层的AlN/GaN结构允许器件使用更高的漏极电压。当VDS=30V时，PAE保持在48%以上，在VDS=20V时PAE为50%。在VDS分别为10、20和30V时，Pout分别为1、2.6和3.6W/mm。4nm厚的AlN势垒层的器件在室温、VDS为12V下工作时，可观察到很强的射频性能退化，以及在更高的VDS工作时的完全退化。然而，3nm厚的AlN势垒层的器件在室温下，VDS高达30V，24h内未观察到退化现象。在高温（底板温度为140℃）下，该器件在VDS=20V时保持完全稳定，在VDS=30V时，器件显示发生退化，关态漏极电流密度大于10mA/mm，PAE从50%下降到30%。减小势垒层厚度时将减小其应变，从而使势垒层具有更高的结构质量，在恶劣的条件下，增大了器件安全工作的区域。同年，该研究小组的K.Harrouche等人还报道了在40GHz时PAE大于70%的高功率AlN/GaN HEMT。上述3nm厚的AlN势垒层器件的大信号特性显示，在40GHz时其PAE为73%（VDS=30V），输出功率密度为5W/mm（脉冲模式）。此外，负载牵引测量的映射图结果显示，在4英寸晶圆片上的器件具有很高的均匀性。针对商业毫米波的应用要求，GaN器件的尺寸需要进一步缩小，器件的栅极长度将从150nm向90nm及以下发展。为了进一步减小寄生电阻，需要对传统的AlGaN/GaN结构进行新的外延结构设计。同年，Y. Cao等人[32]报道了用于毫米波的新型GaN技术。基于AlN/GaN的数字合金势垒新结构技术，开发了90nm GaN HEMT。该外延材料新结构并结合T形栅工艺，大幅提高了器件和电路的效率。该器件在VDS为5V时的fT为145GHz，在VDS为15V时的fT为115GHz，器件的最大直流电流密度为1.4A/mm，最大跨导为600~700mS/mm，在35GHz下的峰值PAE为51%，输出功率密度为2.25W/mm。在未来的毫米波相控阵中需要全双工通道的应用，传统的环行器技术由于庞大的器件尺寸而不能使用。开发了集成在GaN/SiC上的Ka波段自偏置环行器的技术，可提供卓越的变换性能，其插入损耗小于0.5dB，隔离度大于25dB，其中有源器件的结面积的直径仅为1.5mm。2020年，A. M. Angelotti等人通过宽带瞬态测量技术对Si上100nm厚的双异质结AlN/GaN/GaN HEMT中的陷阱电荷动力学的实验特性进行了研究。对该AlN势垒的双异质结器件进行电流瞬态分析，显示基本的脱陷阱时间常数在0.1~1ms范围内，呈现出随温度下降的热敏性和强电场依赖性。与AlGaN/GaN HEMT不同，这种行为不是由于故意掺杂，而是由于在缓冲叠层中的陷阱所致，其影响由短栅长引起的高电场而加剧。另外，测量填充脉冲宽度的对数依赖性表明存在点缺陷。俘获瞬态分析揭示了一个较小的约300ns的时间常数以及在进一步增大漏偏置时又出现μs量级时间常数的效应。这些实验结果表明，已知的物理模型已不适用于这种新型HEMT结构，常见的单偏置表征方法也不能表示大信号激励下的全局域的陷阱行为。
GaN基晶体管和放大器是最有前途的电子器件，不仅适于大功率和高电压的应用，而且可用于第五代（5G）和下一代移动通信系统中的毫米波和太赫兹波无线通信。在InAlN/AlN/GaN HEMT中，InAlN势垒厚度对器件的直流和射频性能有较大的影响。2020年，I. Watanabe等人研究开发了用于毫米波和太赫兹波无线通信的GaN基HEMT。采用MOCVD技术在GaN衬底上外延的多层结构包括：1600nm厚的GaN缓冲层、1nm厚的AlN隔离层、3nm厚的In0.2Al0.8N势垒层，沟道2DEG密度为1.64×1013cm-2，迁移率为1560 cm2·V-1·s-1。器件具有包含23nm厚的SiN、27nm厚的SiO2、2.5nm厚的SiN三层绝缘层，其机械性能稳定，避免了干法刻蚀造成的损伤。45nm栅长的T形栅GaN衬底上的In0.18Al0.82N/AlN/GaN金属半导体HEMT（MES-HEMT）的fT和fmax分别达到228GHz和287GHz，这是由于在较薄的3nm厚度的InAlN势垒层上，实现了低的薄层电阻、低的接触电阻和寄生电容。2021年，I. Sanyal等人报道了在低电阻率Si衬底上具有高JFOM值的AlInGaN/GaN HEMT。该器件在低电阻率Si上生长的外延多层结构包括：250nm厚的AlN成核层、1μm厚的步进梯度AlGaN缓冲层（Al的组分为80%、50%和20%）、1.8μm厚的GaN缓冲层、100nm厚的GaN过渡层、100nm厚的GaN沟道层、1nm厚的AlN隔离层、8.5nm厚的In0.08Al0.73Ga0.19N势垒层、2nm厚的GaN帽层。并与生长在高阻Si和SiC衬底上的相同结构器件进行性能对比。栅长为0.16μm以及栅-漏间距分别为2μm和4μm器件的fT分别为83GHz和63GHz，fmax分别为95GHz和77GHz，三端关态击穿电压分别为69V和127V，JFOM值为8.1THz·V。在GaN沟道中优越的电子输运性质和较低的残余碳杂质含量是实现先进器件性能的关键。然而，低阻Si上的GaN HEMT显示出较大的传输损耗，由于电容耦合效应的影响，使其难以获得与高阻Si上器件相当的大信号的功率性能。二维器件模拟结果显示，即使存在寄生沟道传导和导电Si衬底时，通过尽量减少GaN缓冲层中的缺陷和自由载流子，可提高器件的大信号输出功率。提出了一种改进的小信号等效电路模型，其引入了考虑GaN和AlGaN缓冲层电导的寄生电导。由此得出了采用不同外延层设计的结论，应尽量减小低阻Si上的GaN HEMT大信号功率损耗。由于在富Al AlGaN势垒中存在拉应力，AlGaN/GaN基HEMT器件受到高频工作的影响，特别是对于微波和毫米波。这种效应限制了毫米波电子学中异质结构晶体管设计的使用。为了解决这个问题，近似晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN HEMT用于毫米波电子学的开发，因为它具有薄势垒厚度、高自发极化和高击穿场强。进而发展了具有合适的In/Al比的四元InxAlyGa1-xN合金，允许具有独立调整带隙的自由度并与GaN晶格匹配。晶格配备的四元势垒InxAlyGa1-xN HEMT由于其良好的载流子输运、较强的自发极化导致的更高的载流子浓度、低导通电阻和降低的功耗吸引了射频/毫米波电子学极大的关注。2021年，R. Natarajan等人报道了用于高功率毫米波电子的高性能In0.13Al0.83Ga0.04N/AlN/GaN/In0.04Ga0.96N HEMT。该器件在SiC衬底上的外延多层结构包括：100nm厚的AlN成核层、800nm厚的掺FeGaN缓冲层、5nm厚的In0.04Ga0.96N背势垒层、5nm厚的GaN沟道层、1nm厚的AlN隔离层、11nm厚的In0.13Al0.83Ga0.04N势垒层。建立了该器件的模型并研究了其小信号和大信号性能。具有晶格匹配的In0.13Al0.83Ga0.04N/GaN和高k介质（HfO2）钝化的HEMT器件表现出较高的直流和射频性能。该器件采用50nm栅长的T形栅结构，最大漏极电流密度为3.45A/mm，击穿电压为71.5V，非本征跨导高达980mS/mm，fT和fmax分别为346GHz和428GHz。该器件在30GHz下显示出27.5%的PAE大信号性能。p-GaN HEMT栅极失效的原因是由于在p-GaN/AlGaN/GaN区域的栅极金属/p-GaN层与/或pn结之间的界面存在高电场。在AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN HEMT中的AlGaN帽层不仅作为势垒层防止载流子的注入行为，还能与p-GaN层形成结。2021年，C. H. Liu等人报道了具有AlGaN帽层的常关p-GaN/AlN/AlGaN/GaN HEMT，提高了栅极的可靠性。在双结HEMT中，在Si衬底上生长多层结构包括：4μm厚的AlGaN/GaN缓冲过渡层、300nm厚的非掺杂GaN沟道层、1nm厚的AlN隔离层、15nm厚的Al0.23Ga0.77N势垒层、100nm厚的p型GaN层、10nm厚的Al0.2Ga0.8N帽层。在TCAD模拟中，带隙和电场的分布均证明了双结的形成。此外，该双结HEMT（DJ-HEMT）显示了高的栅极电压摆幅，这是由于在器件的栅极区存在双结，其增强了栅极的性能。与标准的p-GaN HEMT（ST-HEMT）相比较，DJ-HEMT的阈值电压较高（2V），饱和电流密度为187mA/mm，开关电流比为5.1×108以及栅极摆幅电压高于20V。此外，由于更厚的AlGaN帽层和更高的势垒，DJ-HEMT还显示出更低的器件泄漏电流和优越的TDGB寿命测试结果。
AlGaN/GaN HEMT显著的非线性和增益压缩的缺点，限制了其在高工作频率下进一步发展，其中的非线性问题随着栅极长度缩短，会变得更加严重，在器件层面上提高线性度可以解决这些问题。AlN由于其超宽禁带特性和强极化效应，作为垂直可扩展的势垒层为高频应用提供了最大的潜力，2021年，H. Lu等人报道了可改善跨导和增益线性的AlN/GaN/InGaN耦合沟道HEMT。通过GaN和InGaN沟道之间的“W形”势阱的强耦合效应，可显著提高器件的跨导和增益的线性性能。采用MOCVD技术在3英寸半绝缘4H-SiC衬底上外延的多层结构包括：1.3μm厚的GaN缓冲层、20nm厚的In0.14Ga0.86N子沟道层、4nm厚的GaN沟道层、7nm厚的AlN势垒层、20nm厚的原位SiNx帽层。具有栅极场板的T形栅的栅长为150nm，源-漏间距为2μm器件的最大漏极电流密度为1.27A/mm，显示出平坦的跨导分布，与相同工艺制备的AlN/GaN HEMT相比大大减少了跨导的派生和动态源电阻。器件的fT和fmax分别为55GHz和80GHz。此外，该器件的输出三阶交调点（OIP3）的理论值比AlN/GaN HEMT显著提升了7.1dB。2020年，M. Sharma等人报道了梯度背势垒对凹槽栅InAlN/GaN HEMT线性的影响。在InAlN/GaN界面还引入了一个薄层AlN以提高器件性能。AlN层在异质结界面处增加了导带不连续性，进一步增大了2DEG的密度。InAlN和AlN的厚度分别为10nm和1nm。该器件具有载流子浓度为1×1016cm-3的非故意掺杂的2μm厚的GaN缓冲层、14nm厚的GaN沟道层和25nm厚的梯度AlGaN背势垒层。结果表明，在所提出的结构中背势垒层中Al组分的变化对提高器件线性度方面起着重要作用。采用器件模拟所得到的各种器件性能矩阵仿真结果表明，采用梯度的背势垒使器件的线性性能得以改善。对于梯度的背势垒器件可获得更高的第二和第三阶电压截距点（VIP2和VIP3）值。器件的三阶输入交调点（IIP3）和三阶交调失真（IMD3）随着梯度的背势垒的概念而改进。当今复杂的通信系统需要收发器具有大带宽和高保真度以有效地处理射频信号。虽然GaN HEMT技术已经可以达到更高的功率密度，但没有从根本上改变对于线性性能的功率要求。2019年，K. Shinohara等人报道了用于线性高效毫米波功率放大器的具有横向栅极的GaN基多沟道晶体管。该晶体管具有横向栅控的多个2DEG沟道，称为埋层双栅FET（BRIDGEFET）。晶体管独特的工作原理表现出前所未有的器件特性，适于高效线性毫米波功率放大器的应用。在AlGaN/GaN和AlN/GaN材料体系中形成多个2DEG沟道与BRIDE兼容的FET结构，在SiC衬底上的外延多层结构包括：AlN成核层、GaN缓冲层、多周期的i-GaN沟道层、i-AlN隔离层、Si-AlxGa1-xN势垒层、i-GaN帽层，提高了用于较高的频率性能下增加漏极电流密度的设计灵活性。单沟道的BRIDGEFET具有1V的低膝电压，低导通电阻为1.1Ω·mm，180nm栅长器件的fmax为250GHz（25V下）。在4沟道的外延结构上制造的BRIDGEFET，其2DEG密度为1.2×1013cm-2，其饱和电流密度和跨导分别比具有相同2DEG密度的单沟道的高1.7倍和1.9倍，这是由于4沟道外延材料中的电子速率增加，而每个沟道的2DEG密度降低。由分段BRIDGEFET组成的六角形微型器件单元构成功率放大器（PA）单元，在整个PA单元区域均匀分布热源，使其面积功率密度最大化，同时使峰值结温的上升最小化。
近几年，高质量和超晶格等AlN缓冲层在增强GaN HEMT性能方面的技术进步有：具有AlSiO栅极电介质和AlN迁移率增强层的GaN MOSFET迁移率达到约2800cm2·V-1·s-1（在200℃时）；Al0.2Ga0.8N/AlN/GaN结构上的Ti5Al1/TiN源/漏（S/D）接触实现了0.11Ω·mm的低接触电阻率；结合AlN层间外延和优化了GaN缓冲层厚度的GaN E波段PA单片微波集成电路（MMIC）的输出功率大于2W；AlGaN/AlN超晶格缓冲层的GaN HEMT的推算寿命大于50年；缓冲层中AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格层增强AlInN/AlN/GaN异质结构的电性能；高质量AlN缓冲层的AlGaN/GaNHEMT的击穿电压为2154V，FOM值约为1.8GV2·Ω-1·cm-2；AlN成核层作为背势垒的GaN HEMT最大饱和漏极电流密度约为1A/mm，fT和fmax分别为70GHz和130GHz；具有AlN缓冲层的GaN HEMT经50s质子辐照后电流分散差仅为0.7%。
通过凹槽工艺去除器件栅极下的势垒层，可实现栅凹槽型GaN MOSFET的常关态。然而，这是由于缺少2DEG导致低的沟道迁移率，而当器件工作时其积累电子沟道接近栅极的介质层时，导致附加的散射机制，这在常开的GaN HEMT器件中是不存在的。为此，通过创新工艺技术改进了器件性能，如具有栅极介质的AlN迁移率增强层的集成，并采用SiO2栅极介电材料的替代品，如铝硅氧化物Al1-xSixO。2021年，M. Smith等人报道了具有AlSiO栅极电介质和AlN迁移率增强层的GaNMOSFET的高迁移率。具有AlN/Al0.23Si0.77O栅极介质的器件在室温下最大迁移率可达1000 cm2·V-1·s-1以上，在200℃时，提高到约2800 cm2·V-1·s-1，同时保持常关工作，迁移率与沟道中载流子密度分布相关的散射机制相关联。对于无Au S/D接触，相对较高的接触电阻率仍然是主要的挑战，特别是对于具有AlN隔离层的AlGaN/AlN/GaN外延结构。2021年，Y. Jiang等人报道了在无势垒凹槽的Al0.2Ga0.8N/AlN/GaN结构上的Ti5Al1/TiNS/D接触实现了0.11Ω·mm的低接触电阻率。相比于常规Au基（Ti/Al/Ti/Au和Ta/Al/Au）或多层无Au（Ti/Al/TiN和Ta/Al/Ta）S/D接触金属，采用Ti5Al1/TiN（60nm/60nm）双层接触金属，在氮气环境下经920℃、60s退火后的接触电阻率低至0.11Ω·mm。当存在TiN薄层时，AlGaN中的Al向外扩散被抑制，并在界面上形成了n-AlGaN层，这有利于低接触电阻率S/D接触的形成。
在商业应用中，如卫星通信和点对点的无线连接等，对于E波段需要更高功率的固态功率器件，进一步推动了更先进的GaN基器件的发展。在如此高的频率下，每个晶体管的固有PAE在确定PA设计中可实现的最大输出功率水平方面起着关键的作用。因此，迫切需要开发高效的GaN器件以提高毫米波输出功率能力。2019年，E. Ture等人报道了基于具有优化缓冲层的高效率GaN HEMT的高功率（大于2W）E波段PAMMIC。采用100nm栅长的AlGaN/GaN HEMT技术，结合AlN层间外延和优化的GaN缓冲层厚度，开发了在E波段频率下实现多瓦输出功率的PA。所制备的PAMMIC在81~86GHz频段的小信号增益大于22dB，在84GHz下的峰值输出功率为33.5dBm（2.2W），相关的功率增益为17dB。在此频率下获得的最大PAE为10%。超晶格缓冲层结构由薄III-N交替层所组成。通过具有高晶体质量的宽带隙半导体（如AlGaN、AlN或GaN）的交替薄层的重复生长抑制了内部应变的积累，并产生了具有良好的晶体质量的高绝缘缓冲层，从而导致了缓冲层的低陷阱密度。2020年，L. Heuken等人分析研究了用于650V低离散和高可靠性GaN HEMT的AlGaN/AlN超晶格缓冲层。采用MOCVD技术在725μm厚的p-Si（111）衬底上外延的多层结构包括：AlN成核层、3μm厚的掺C的超晶格缓冲层（由225个周期的薄AlGaN和AlN交替层组成）、1.5μm厚的C掺杂GaN的生长层和非故意掺杂GaN层、20nm厚的AlGaN（Al组分为24%）势垒层。由于具有优化的C掺杂AlGaN/AlN超晶格缓冲层结构，该器件具有5个特点：①器件的最大垂直击穿强度高达2.72MV/cm；②垂直击穿电压大于1.2kV；③横向击穿电压大于2.2kV；④缓冲层减少了陷阱，预计将导致低的动态导通电阻；⑤在150℃下，偏置电压为650V时的器件推算的寿命大于50年。2019年，Y.C.Chen等人利用AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格层增强AlInN/AlN/GaN异质结构的电性能。研究了缓冲层中AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格层对生长在150mm Si（111）衬底上的AlInN/AlN/GaN异质结构的位错密度和输运性能的影响。结果发现，GaN缓冲层中的螺位错密度与超晶格层组分、厚度和位置有很大的关系。通过在Si衬底上的AlN成核层的正上方外延生长10对20nm/20nm厚的交替的Al0.8Ga0.2N/Al0.2Ga0.8N超晶格时，器件的电子迁移率为1940cm2·V-1·s-1，其2DEG密度为1.45×1013cm-2，导致薄层电阻为221Ω/□。
引入AlN缓冲层作为GaN缓冲层的替代，因为其具有一个很大的能带偏移和较高的极化场，可实现在沟道中最大的2DEG约束。此外，AlN层具有非常大的禁带宽度（6.2eV），即使在层中没有掺杂深受主陷阱，如Fe离子或C离子（用在常规GaN缓冲层形成高阻），该层也可提供高阻性质，并可以抑制在缓冲层中的陷阱效应。2021年，J. G. Kim等人[46]报道了具有高质量AlN缓冲层的AlGaN/GaN HEMT的高击穿电压和低电流分散特性。采用具有大禁带宽度的高质量非掺杂厚AlN缓冲层，取代传统的高电阻率GaN缓冲层。在该AlN缓冲层上制备了AlGaN/GaN HEMT，表现出低的关态泄漏电流和高的开关电流比（约为106），是由于增强了对沟道中2DEG的限制。非掺杂的AlN缓冲层可抑制陷阱效应，大幅降低了脉冲ID-VD特性中的电流分散，这在传统的深能级受主掺杂的GaN缓冲层的器件中是难以避免的。该器件的击穿电压高达2154V，FOM值约为1.8GV2·Ω-1·cm-2。可减轻陷阱效应，保持良好的隔离的方法是采用薄的非掺杂GaN层和AlN成核层相结合作为器件的背势垒。与较厚的缓冲层相比，采用薄的缓冲层可使器件的螺位错密度提高2倍，并降低了电子迁移率。2020年，D. Y. Chen等人研究了无缓冲层的SiC上GaN-HEMT的微波性能。在高质量的0.25μm非故意掺杂GaN层上制备了HEMT，GaN层直接生长在已外延生长的AlN成核层上。这种方法允许AlN成核层作为背势垒，限制短沟道效应并消除缓冲层泄漏电流。具有无缓冲层异质结构的器件显示出具有竞争力的直流和射频特性，对制造在商用Fe掺杂的外延晶圆上的器件进行基准测试，结果表明，器件的峰值跨导为500mS/mm，最大饱和漏极电流密度约为1A/mm。栅极长度为100nm器件的fT和fmax分别为70GHz和130GHz。脉冲I-V测量显示出较低的电流崩塌和更小的膝电压。在3GHz下进行有源负载牵引测量，动态I-V性能结果转换为4.1W/mm的输出功率密度。2021年，J. G. Kim等人研究了在AlGaN/GaN HEMT中质子辐照增强器件的性能。对比研究了质子辐照对具有常规GaN层和未掺杂AlN缓冲层结构的AlGaN/GaN HEMT的影响。在辐照时间分别为30、50和600s的样品中，质子辐照50s的器件表现出最佳性能，如开关电流比、击穿电压和电流分散。质子辐照使样品温度升高，促进氢掺入栅极金属/AlGaN界面的表面陷阱以及在缓冲层中的陷阱，有效地钝化陷阱以减小关断电流和栅极泄漏电流。特别是具有AlN缓冲层的器件表现出非常好的低关断电流和栅极泄漏电流密度（5.1×10-10A/mm）。脉冲ID-VD测量结果表明，质子辐照显著抑制了这两种器件的电流分散，而对电流分散的抑制作用对于具有AlN缓冲层的器件更有效，电流分散差仅为0.7%。击穿特性也有较大改善，是由于陷阱被钝化而减小了关态的泄漏电流。
AlN极化效应可以调制GaN的能带并补偿深能级表面陷阱，这将提高AlGaN/GaN HEMT的可靠性。近几年在采用AlN等钝化层增强GaN HEMT性能方面的关键技术进步有：具有多晶AlN钝化的AlGaN/GaN金属绝缘层半导体HEMT（MIS-HEMT）抗质子辐照性能的提高；AlN钝化的正极化电荷可补偿界面陷阱；高k铌酸铋锌氧化物的钝化可提高ScAlN/GaN HEMT的击穿电压；再生长p-GaN和采用AlN预层的SiNx钝化使常关器件实现高质量的界面性能。
2019年，D. L. Zhang等人研究了多晶AlN钝化对3MeV质子辐照后AlGaN/GaNMIS-HEMT性能提高的影响。4nm厚的多晶AlN薄膜在850℃退火后形成GaN帽层的钝化层。经过具有3×1014cm-2通量的3MeV质子辐照后，具有SiNx和多晶AlN钝化的器件的导通电阻分别增加了28%和32%，30V关态和5V开态漏极偏压下的动态导通电阻分别退化了2000%和110%。多晶AlN的极化效应降低了GaN帽层的能带并补偿了深能级表面缺陷，通过原子层沉积的AlN具有较低的等离子体功率，可使GaN表面光滑，有助于提高质子辐照后AlGaN/GaN HEMT的可靠性。2020年，S. Yang等人对AlGaN/GaN HEMT中SiNx和AlN钝化进行了研究，主要研究了其界面陷阱和极化电荷的作用。表面/界面深能级可以通过钝化/异质结构界面处的浅层类施主陷阱（SiNx钝化）和极化电荷（AlN钝化）补偿，但在快速开关条件下分别具有不同程度的有效性。SiNx钝化引入了时间常数较小的浅层类施主陷阱态，有利于输入区域的陷阱快速发射捕获电子并抑制电流崩塌，但动态导通电阻的恢复时间更长。对于AlN钝化，界面陷阱由固定的正极化电荷补偿，且关态耗尽区（在2DEG沟道中）主要由电场效应形成，导致在将HEMT器件切换回导通状态后高沟道电子浓度的立即积累，以及漏极电流对栅极和漏极偏置电压的即时响应。在SiNx钝化器件中，电场板结构对于抑制电流崩塌和减弱电场是必不可少的。而采用AlN钝化，电场板可以专为实现更均匀的电场分布而设计以提高栅极可靠性，无需考虑电流崩塌。在III-N体系中为获得更高的输出电流，一般采用AlN/GaN和InAlN/GaN等异质结构以增加2DEG密度，而与此同时，由于较高的2DEG密度使器件的击穿电压降低，同时使从栅极到漏极的电场分布更加不均匀。可采用场板结构设计以提高器件击穿电压，也可采用高k钝化层工艺减小漏极一侧栅极边缘的电场。2021年，J. N. Cheng等人通过高k铌酸铋锌氧化物提高ScAlN/GaN HEMT的击穿电压。该器件所采用的SiC衬底上的多层外延结构包括：1.5μm厚的掺Fe缓冲层、300nm厚的GaN沟道层、1nm厚的AlN和2nm厚的Al0.21Ga0.79N隔离层、6.5nm厚的Sc0.18Al0.82N。通过射频磁控溅射沉积高k介质Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN）薄膜，沉积后经400℃退火10min后的介电常数为192。栅长为200nm，栅-漏间距为2.0μm器件的最大电流密度为1.98A/mm，最大跨导为0.52S/mm，阈值电压为-3V。采用SiN/BZN/SiN的多层结构的钝化层，击穿电压的平均值从68.9V提升到121.5V，原因是高k钝化层减小了栅极和漏极之间的电场峰值。器件的fT和fmax分别为59GHz和69GHz。脉冲测量结果表明，SiN/BZN/SiN与仅用SiN层钝化的器件相比具有类似的钝化作用。由于p-GaN层中的空穴浓度显著降低，在SiNx沉积过程中氢对Mg掺杂剂的减活性作用导致器件增强模式工作的失效。此外，用于栅极窗口的等离子体干法刻蚀不可避免地会引起p-GaN表面损伤，并降低栅极接触性能。对p-GaNE-HEMT使用低压化学气相沉积（LPCVD）SiNx钝化具有挑战性，相关报道还很少。2019年，Y. Z. Zhong等人报道了具有再生长p-GaN和采用AlN预层的LPCVD的SiNx钝化的常关HEMT。该器件采用高温钝化优先技术，无不兼容的问题。通过仔细的表面处理，实现了高质量的界面（再生p-GaN/AlGaN和SiNx/AlGaN）以及稳定的p-GaN接触，从而实现稳定的栅极工作和改进的动态性能。采用该技术所制备的器件表现出良好的性能，低反向栅极泄漏电流密度为2nA/mm（栅漏电压为-200V），稳定的正向栅极电流密度为10μA/mm（栅源电压为5V），正阈值电压为+1.7V（漏源电流密度为10μA/mm），高饱和电流密度为435mA/mm，高开关电流比为5×1010，且低漏极导通电阻和源极导通电阻的比值（Ron，d/Ron，s）为1.5。
（未完待续）
作者简介
赵正平（1947- ），男，江苏扬州人，硕士，研究员，博士生导师，原中国电子科技集团公司副总经理, 曾任原专用集成电路重点实验室学术委员会副主任，现任半导体行业协会专家组副组长，长期从事砷化镓微电子、微波功率器件、微电子机械系统、宽禁带半导体器件与电路以及纳电子学等方面的研究工作。