AlGaN/GaN HEMТ с пробоем 803 В: фторированная SiNₓ пассивация дает низкое динамическое активное сопротивление

Аннотация

Представлен AlGaN/GaN высокоэлектронномобильный транзистор (HEMT), достигающий пробоя 803 В и скромного увеличения динамического активного сопротивления (R_ON,D) на 23% по сравнению с конвенциональным устройством. Ключевая инновация — фторирование ионной имплантацией внутри толстого Si₃N₄ пассивирующего слоя между венецом и 드рейном. В отличие от фторирования в тонком AlGaN барьере, эта конфигурация размещает пик ионной имплантации и распределение вакансий далеко от двумерного электронного газа (2DEG), тем самым подавляя как постоянное, так и импульсно-динамическое деградации. Дополнительно, имплантированный фтор расширяет истощенную область и повышает среднее электрическое поле (E-поле) через венец-дрейн канал, что подкрепляет усиленный пробой.

Предыстория

GaN-базированные AlGaN/GaN HEMТ — передовая технология для высокомощных, высокочастотных и низкопотерь приложений благодаря высокому критическому полю пробоя и исключительной электронной подвижности. Однако максимальные сообщенные напряжения пробоя остаются далеко от теоретических пределов, делая обязательным дальнейшее повышение пробоя без увеличения размеров устройства. Несколько стратегий терминации — полевые пластины, фторная имплантация, рецессированная венец-краевая терминация — изучались для повышения пробоя. Фторная имплантация в тонкий AlGaN барьер (FBL) предлагает простой процесс и минимальную паразитную емкость, но близость фторного пика и распределения вакансий к 2DEG может деградировать как статическую, так и динамическую производительность. В этой работе экспериментально демонстрируется, что фторная имплантация в толстый Si₃N₄ пассивирующий слой (FPL) сохраняет целостность 2DEG при одновременной оптимизации поверхностного распределения E-поля. Полученный HEMТ демонстрирует превосходные статические и динамические характеристики.

Технологические методы

Рисунок 1 иллюстрирует трехмерную компоновку FPL, FBL и конвенциональных (Conv.) HEMТ. Все устройства имеют идентичные венечные размеры: длина венеца L_G=2.5 мкм, интервал венец-источник L_GS=1.5 мкм, интервал венец-дрейн L_GD=10 мкм. Эпитаксиальный стек, выросший на 6-дюймовой (111) Si подложке металло-органической химической осадкой из паровой фазы (MOCVD), состоит из 2-нм GaN шапки, 23-нм Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N барьера, 1-нм AlN интерслоя, 150-нм GaN канала и 3.5-мкм GaN буфера. Холловские замеры дали плотность 2DEG 9.5×10¹² см⁻² и подвижность 1500 см²/В·с.

Фабрикация начиналась с изоляции мез структуры высокомощным Cl₂/BCl₃ индуктивно-сцепленным плазменным (ICP) травлением. 40-нм LPCVD Si₃N₄ слой осаждали при 780 °C/300 мТорр (NH₃=280 сccm, SiH₂Cl₂=70 сccm), скорость 3.7 нм/мин. Эллипсометрия измерила показатель преломления 1.978 и N/Si отношение 1.31; HR-TEM подтвердил аморфную кристалличность (вставка, рис. 1a).

Окна источника и стока открывали SF₆ сухим травлением, затем напыляли Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 нм) и быстро отжигали 890 °C 30 с в N₂. Контактное сопротивление 1 Ом·мм, поверхностное 400 Ом/кв.

Венечный электрод определяли Ni/Au (50/150 нм) lift-off. 3-мкм окно фторной имплантации паттернили AZ5214 резистом, ионы имплантировали при 10 кэВ с дозой 1×10¹² см⁻² на имплантере SEN NV-GSD-HE. Финальный отжиг 400 °C 15 мин в N₂ завершал процесс.

Результаты и обсуждение

Рисунок 2 показывает вторично-ионную масс-спектрометрию (SIMS) профиль фтора и смоделированное TRIM распределение вакансий для FPL (a) и FBL (b) устройств. Хотя пиковая концентрация фтора и глубина похожи в обоих случаях, распределение вакансий в FBL устройстве простирается в 2DEG канал, тогда как в FPL устройстве оно остается в пределах Si₃N₄ слоя, далеко от канала. Поскольку вакансии близко к 2DEG могут ловить носители, FPL подход драматически снижает статическую и динамическую деградацию.

Рисунок 3 демонстрирует передаточные и выходные I-V кривые. По сравнению с Conv. HEMТ, оба FPL и FBL устройства показывают легкий рост статического активного сопротивления из-за истощения 2DEG и сниженной подвижности (послеимплантационные подвижности: 228 см²/В·с для FPL, 203 см²/В·с для FBL). При низком дрейн-смещении (V_DS < 3 В) активное сопротивление FPL и FBL почти идентично. Однако для V_DS > 3 В FBL устройство страдает от коллапса насыщенного дрейн-тока, так как его профиль вакансий достигает 2DEG канала, тогда как FPL устройство поддерживает стабильный дрейн-ток.

Рисунок 4 показывает выключенное состояние I-V характеристики и смоделированные поверхностные E-поля распределения. Измеренные пробои: 803 В (FPL), 746 В (FBL), 680 В (Conv.). Фторная имплантация между венецом и дрейном снижает пик E-поля у венец-края и вводит новый пик у края имплантационной области, давая более равномерное поле и более высокий пробой. FBL устройство выигрывает от более сильной модуляции поля, но страдает от дополнительного повреждения барьера, ведущего к слегка нижнему пробою по сравнению с FPL.

Импульсные I-V замеры проводили для оценки динамического активного сопротивления (R_ON,D) при медленном переключении (3 мс ширина импульса, 5 мс период). Рисунок 5 сравнивает импульсные выходные при нулевом смещении и 100 В дрейн-стрессе. Conv. HEMТ показывает только 12.3% рост R_ON,D, в то время как FBL R_ON,D почти удваивается (98% рост). В контрасте, FPL устройство демонстрирует лишь 23% увеличение, показывая, что распределение вакансий, ограниченное пассивирующим слоем, эффективно подавляет зарядовое ловушевание.

Заключение

Мы продемонстрировали высокопроизводительный AlGaN/GaN HEMТ, достигающий 803 В пробоя при сохранении динамического активного сопротивления всего 1.23 от статического после 100 В дрейн-стресс импульса. Фторная имплантация в толстый Si₃N₄ пассивирующий слой сохраняет 2DEG целостность, подавляет зарядовое ловушевание и оптимизирует поверхностное электрическое поле, позволяя существенное повышение пробоя с 680 В (конвенциональный) до 803 В.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе исследования, включены в опубликованную статью.

Аббревиатуры

2DEG

Двумерный электронный газ

HEMT

Высокоэлектронномобильный транзистор

ICP

Индуктивно-сцепленная плазма

LPCVD

Низкодавленное химическое осаждение из паровой фазы

MOCVD

Металло-органическое химическое осаждение из паровой фазы

SIMS

Вторично-ионная масс-спектрометрия

TEM

Проходная электронная микроскопия