在 SiNx 钝化层中注入氟离子的高击穿电压和低动态导通电阻 AlGaN/GaN HEMT

背景

近几十年来，新型半导体材料，如 GaN、金属氧化物和二维材料，由于其优异的材料和器件性能，被广泛研究以进一步提高能量转换和存储效率 [1,2,3,4, 5,6,7,8]。其中，GaN基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高临界击穿场和高电子迁移率而成为高功率、高频和低损耗应用的良好候选者[9,10,11,12,13 ,14]。击穿电压 (BV) 是最重要的设计目标之一，报告的值仍远低于理论极限 [15, 16]。因此，进一步提高 BV 非常重要，尤其是不要以增加器件尺寸为代价。已经提出了几种终止技术来改善 BV，例如场板 [17,18,19]、氟离子注入 [20,21,22] 和凹陷的栅极边缘终止 [23, 24]。氟离子注入薄的 AlGaN 势垒层 (FBL) [22] 具有简单的制造工艺，不会引起额外的寄生电容；然而，氟分布和空位分布的峰值位置靠近二维电子气（2DEG）通道，这将不可避免地导致显着的静态和动态特性劣化。

在这项工作中，高击穿电压和低动态导通电阻 (R ON, D) 实验研究了在 SiNx 钝化层 (FPL HEMT) 中注入氟离子的 AlGaN/GaN HEMT。与在薄AlGaN势垒层中注入氟离子的情况不同，在厚钝化层中注入氟离子可以使氟和空位分布的峰值位置远离2DEG沟道，从而有效抑制静态和动态特性退化.钝化层中的氟离子作为终止技术也用于优化表面电场（E 场）分布，从而实现增强的 BV。综上所述，FPL HEMT表现出优异的静态特性和动态特性。

制作方法

图 1 是 FPL HEMT、FBL HEMT 和 Conv 的三维示意图。 HEMT，分别。所有器件的栅极长度为 L G为2.5 μm，栅源距离L GS 为 1.5 μm，栅漏距离 L GD 为 10 μm。用于制造 FPL HEMT 的外延 AlGaN/GaN 异质结构通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在 6 英寸 (111) 硅衬底上生长。外延层由 2-nm GaN 帽盖、23-nm Al0.25Ga0.75N 势垒、1-nm AlN 中间层、150-nm GaN 通道和 3.5-μm GaN 缓冲层组成。 2DEG 的霍尔效应测量密度和迁移率分别为 9.5 × 10 ¹² cm ⁻² 和 1500 cm ² /V s，分别。提议的 FPL HEMT 从台面隔离开始，该隔离是通过基于高功率 Cl2/BCl3 的电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻实现的。然后，在 780 °C/300 mTorr、280 sccm 的 NH3 流量和 70 sccm 的 SiH2Cl2 流量下沉积 40 纳米厚的低压化学气相沉积 (LPCVD) SiNx 层，沉积速率为 3.7 sccm，沉积速率为 3.7 sccm分钟用椭偏仪测得的折射率为 1.978，SiNx 的 N/Si 比为 1.31 [25]。 LPCVD SiNx 的结晶度是无定形的，高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 显微照片证实了这一点（见图 1a 的插图）。通过 SF6 等离子体干法蚀刻打开源极和漏极接触窗口后，沉积 Ti/Al/Ni/Au（20/150/45/55 nm）欧姆接触，并在 N2 环境中在 890 °C 下退火 30 s。通过线性传输线方法提取1 Ω mm的接触电阻和400 Ω/平方的薄层电阻。接下来，通过Ni/Au (50 nm/150 nm)沉积和剥离工艺形成栅极金属电极。然后用AZ5214光刻胶形成氟离子注入窗(Length of window =3 μm)，采用SEN NV-GSD-HE离子注入机注入氟离子，能量为10 keV，剂量为1 × 10 ¹² cm ⁻² .最后，样品在 N2 环境中在 400 °C 下退火 15 分钟，以完成晶体管制造流程 [26]。

a的三维示意图 FPL HEMT（插图：LPCVD SiNx 的 HR-TEM 显微照片），b FBL HEMT 和 c 转化次数HEMT

结果与讨论

图 2 显示了通过 TRIM 沿切割线测量的氟离子浓度和模拟空位浓度的二次离子质谱 (SIMS) 分布图：(a) A-A' FPL HEMT 和 (b) B-B' 分别为 FBL HEMT。在相同的氟离子注入能量和剂量下，两种结构从表面测得的峰值位置和氟分布的最大浓度几乎相同。在薄的 AlGaN 势垒层中注入氟离子的情况下，由氟引起的空位延伸到 2DEG 沟道区。由于每种材料的键能不同，空位浓度在每个界面上的分布是不连续的 [27]。然而，在厚SiNx钝化层中注入氟离子的情况下，空位分布位于SiNx钝化层内，远离2DEG沟道。离子注入引起的空位将捕获 2DEG 通道，如果空位分布接近 2DEG，则 2DEG 很容易被捕获 [28]。综上所述，在厚SiNx钝化层中注入氟离子可以显着降低离子注入对2DEG沟道的影响，有效抑制静态和动态特性劣化。

沿切割线通过 TRIM 测量氟离子浓度的 SIMS 分布和模拟空位浓度。 一 A-A'。 b B-B'

图 3 显示了测量的 I-V 传输特性和直流 (DC) 输出特性。与 Conv 相比。 HEMT，FPL HEMT 和 FBL HEMT 均显示 I 下降 DS 和静态导通电阻的增加 (R ON)，因为氟离子导致漂移区中 2DEG 的辅助耗尽，从而降低 2DEG 密度 [29]。此外，离子注入还降低了 2DEG 迁移率。霍尔效应测量的 FPL 和 FBL HEMT 的 2DEG 迁移率为 228 cm ² /V s 和 203 cm ² /V s 分别在离子注入后。由于相同剂量的氟离子，输出特性和R FPL HEMT 和 FBL HEMT 的 ON 在低漏极电压（例如，V DS <3 V）。然而，当 V DS> 3 V，FBL HEMT 发生饱和漏电流崩溃，因为氟的空位分布延伸到 2DEG 沟道区，当漏电压大于临界漏极电压（例如，V DS> 3 V) [30]，从而降低漏极电流。 FPL HEMT的空位分布远离2DEG沟道，有效抑制了饱和漏电流崩塌。

测量 a I-V 传输特性，以及b 三个HEMT的直流输出特性

图 4 显示了测量的 I-V 阻塞状态下的特性和模拟表面电场分布。 FPL/FBL/Conv 的 BV。 HEMT 分别为 803/746/680 V。 BV 定义为漏极电流 (I DS) 为 1 μA/mm，V GS =− 4 V。栅极和漏极之间的氟离子作为终止技术降低了栅极边缘的电场峰值，并在离子注入区的末端导致新的电场峰值，因此，FPL HEMT 和FBL HEMT 实现了比 Conv 更均匀的表面电场分布和更高的 BV。赫姆特。与 FPL HEMT 相比，FBL HEMT 具有增强的电场调制效果，因为氟离子剖面靠近 2​​DEG 通道。然而，对于 FBL HEMT，离子注入不可避免地会在 AlGaN 势垒中引起额外的损伤 [31, 32]，导致 gate-barrier layer-2DEG 的连续栅极漏电流路径;因此，FBL HMET 的 BV 略小于 FPL HEMT。

一 测量的关断状态 I-V 具有-4 V 栅极电压的特性，保持衬底浮动。 b V 处的模拟表面电场分布 DS =150 V

脉冲I DS-V 在慢速开关下进行 DS 测量 [33] 以表征动态导通电阻 (R ON, D) 制造的 AlGaN/GaN HEMT。图 5a 是描述在脉冲 I 期间施加应力电压的示意图 DS-V DS 测量。在脉冲I-V 测量，GaN HEMT 的栅极和漏极在每个 I-V 之前经受短电压脉冲 测量以确保设备处于关闭状态。脉冲宽度为 3 ms，周期为 5 ms。图 5 b-d 显示了器件在 (V GS0, V DS0) 的 (0 V, 0 V) 和 (0 V, 100 V)。可以看出，Conv. 的动态导通电阻有最轻微的下降 (12.3%)。 HEMT，由于没有氟离子注入工艺。与 FBL HEMT 相比，FPL HEMT 具有较低的动态导通电阻退化。由于钝化层，空位分布远离 2DEG 通道并位于钝化层内，这抑制了 FPL HEMT 中的电荷俘获。图 6 总结了 R 的比率值 开，D/R (V 下的三个 HEMT 为 ON GS0, V DS0) 从 (0 V, 0 V) 和 (0 V, 100 V) 在 20 V 的步长。对于 FBL HEMT，测量的 R ON，D 在 (V GS0, V DS0) 的 (0 V, 0 V) 和 (0 V, 100 V)，而 R 在 100 V 的高漏极静态偏置下，FPL HEMT 的 ON、D 仅增加 23%。

一 在脉冲I期间施加应力电压的示意图 DS-V DS 测量。脉冲I DS-V 制备的具有 b 的 AlGaN/GaN HEMT 的 DS 特性 FPL HEMT，c FBL HEMT 和 d 转化次数HEMT (V GS =− 4~0 V；步长：0.5 V)

R 的比例 开，D/R 在不同静态漏极偏置点处制造的 HEMT 的 ON。脉冲宽度和周期分别为3 ms和5 ms

结论

总之，我们提出了一种具有高击穿电压和低动态导通电阻的新型 AlGaN/GaN HEMT。它的特点是在厚的 SiNx 钝化层中注入氟离子。在钝化层中注入氟离子可以有效抑制电特性劣化。断态V后动态导通电阻仅为静态导通电阻的1.23倍 DS 应力为 100 V，而 FBL HEMT 为 1.98 倍。此外，钝化层中的氟离子还对电场分布进行调制，使耗尽区扩散；因此，所提出的HEMT的BV从传统AlGaN / GaN HEMT的680 V增加到803 V。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

2DEG：

二维电子气

HEMT：

高电子迁移率晶体管

ICP：

电感耦合等离子体

LPCVD：

低压化学气相沉积

MOCVD：

金属有机化学气相沉积

SIMS：

二次离子质谱

TEM：

透射电子显微镜