AlGaN/GaN HEMT实现803 V击穿：氟掺杂SiNx钝化降低动态导通电阻

摘要

我们提出一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），实现803 V击穿电压（BV）和适度23%动态导通电阻（R_ON,D）增加（相较常规器件）。关键创新是栅极与漏极间厚Si₃N₄钝化层内氟离子注入。不同于薄AlGaN势垒层氟注入，此配置将离子峰值和空位分布置于远离二维电子气（2DEG）处，从而同时抑制直流和脉冲动态退化。此外，植入氟延伸耗尽区并提高栅漏沟道平均电场（E-field），支撑BV增强。

背景

基于GaN的AlGaN/GaN HEMT凭借高临界击穿场和卓越电子迁移率，成为高功率、高频、低损耗应用前沿技术。但报道最高击穿电压仍远低于理论极限，亟需在不增大器件尺寸前提下推高BV。多种终端策略——场极板、氟离子注入、凹槽栅边终端——被探索提升BV。薄AlGaN势垒氟注入（FBL）工艺简单、寄生电容小，但氟峰值和空位分布靠近2DEG，可能降解静态和动态器件性能。本工作实验证明厚Si₃N₄钝化层氟注入（FPL）在保持2DEG完整性同时优化表面E场分布，所得HEMT展现优越静态和动态特性。

制造方法

图1展示FPL、FBL和常规（Conv.）HEMT三维布局。所有器件共享相同栅极尺寸：栅长L_G=2.5 µm，栅源间距L_GS=1.5 µm，栅漏间距L_GD=10 µm。外延堆叠在6英寸(111) Si衬底上经金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长：2 nm GaN覆盖层、23 nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N势垒、1 nm AlN中间层、150 nm GaN沟道、3.5 µm GaN缓冲层。霍尔测量得2DEG密度9.5×10¹² cm⁻²、迁移率1500 cm²/V·s。

器件制造始于高功率Cl₂/BCl₃电感耦合等离子体（ICP）刻蚀台面隔离。随后780°C/300 mTorr（NH₃=280 sccm，SiH₂Cl₂=70 sccm）沉积40 nm LPCVD Si₃N₄，速率3.7 nm/min。椭偏仪测折射率1.978、N/Si比1.31；HR-TEM确认非晶结晶度（图1a插图）。

SF₆干法刻蚀开源漏窗口，沉积Ti/Al/Ni/Au（20/150/45/55 nm）快速退火890°C、30 s（N₂）。所得接触电阻1 Ω·mm，方块电阻400 Ω/□。

Ni/Au（50/150 nm）剥离法定义栅极。AZ5214光刻胶图案化3 µm氟注入窗口，SEN NV-GSD-HE注入机10 keV、1×10¹² cm⁻²剂量注入离子。最终400°C、15 min（N₂）退火完成工艺。

AlGaN/GaN HEMT实现803 V击穿：氟掺杂SiNx钝化降低动态导通电阻

结果与讨论

图2展示FPL（a）和FBL（b）器件氟二次离子质谱（SIMS）分布和TRIM模拟空位分布。两者氟峰浓度和深度相近，但FBL器件空位分布延伸至2DEG沟道，而FPL器件空位局限于Si₃N₄层内，远离沟道。因靠近2DEG空位可捕获载流子，FPL路径显著减少静态和动态退化。

图3展示传输和输出I-V曲线。相较常规HEMT，FPL和FBL器件因2DEG耗尽和迁移率降低（注入后迁移率：FPL 228、FBL 203 cm²/V·s）静态导通电阻轻微增加。低漏偏（V_DS<3 V）下FPL和FBL导通电阻近似。但V_DS>3 V时，FBL器件因空位分布触及2DEG沟道遭受饱和漏电流坍塌，FPL器件保持稳定漏电流。