Высокое напряжение пробоя и низкое динамическое сопротивление во включенном состоянии AlGaN / GaN HEMT с имплантацией ионов фтора в слой пассивирования SiNx

Фон

В последние десятилетия новые полупроводниковые материалы, такие как GaN, оксиды металлов и 2D-материалы, были широко изучены с целью дальнейшего повышения эффективности преобразования и хранения энергии благодаря их превосходным свойствам материалов и устройств [1,2,3,4, 5,6,7,8]. Среди них AlGaN / GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе GaN являются хорошими кандидатами для приложений с высокой мощностью, высокими частотами и низкими потерями из-за высокого критического поля пробоя и высокой подвижности электронов [9,10,11,12,13 , 14]. Напряжение пробоя (BV) является одной из наиболее важных целей при проектировании, и заявленные значения все еще намного ниже теоретического предела [15, 16]. Следовательно, очень важно еще больше улучшить BV, особенно не за счет увеличения размера устройства. Было предложено несколько методов терминации для улучшения BV, таких как полевая пластина [17,18,19], имплантация ионов фтора [20,21,22] и заглубление на краю затвора [23, 24]. Ионы фтора, имплантированные в тонкий барьерный слой AlGaN (FBL) [22], имеют простой процесс изготовления без создания дополнительной паразитной емкости; однако положение пика профиля фтора и распределения вакансий близко к каналу двумерного электронного газа (2DEG), что неизбежно приведет к значительному ухудшению статических и динамических характеристик.

В этой работе высокое напряжение пробоя и низкое динамическое сопротивление в открытом состоянии ( R _{ВКЛ, Д} ) AlGaN / GaN HEMT с имплантацией ионов фтора в SiN _x пассивирующий слой (FPL HEMT) экспериментально исследован. В отличие от имплантации ионов фтора в тонком барьерном слое AlGaN, имплантация ионов фтора в толстом пассивирующем слое может удерживать положение пика распределения фтора и вакансий далеко от канала 2DEG, таким образом эффективно подавляя деградацию статических и динамических характеристик. . Ионы фтора в пассивирующем слое в качестве метода прерывания также используются для оптимизации распределения поверхностного электрического поля (электрического поля), таким образом достигая улучшенного BV. В заключение, FPL HEMT демонстрирует отличные статические и динамические характеристики.

Методы изготовления

На рис. 1 представлена ​​трехмерная схема FPL HEMT, FBL HEMT и Conv. HEMT соответственно. Все устройства имеют длину ворот L . _G 2,5 мкм, расстояние затвор-исток L _GS 1,5 мкм, и расстояние затвор-сток L _GD 10 мкм. Эпитаксиальная гетероструктура AlGaN / GaN, используемая для изготовления FPL HEMT, была выращена на кремниевой подложке 6 дюймов (111) методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Эпитаксиальные слои состоят из 2-нм крышки из GaN, 23-нм Al _0,25 Ga _0,75 N-барьер, прослойка AlN толщиной 1 нм, канал GaN 150 нм и буфер GaN 3,5 мкм. Плотность и подвижность 2DEG, измеренные с помощью эффекта Холла, составили 9,5 × 10 ¹² . см ⁻² и 1500 см ² / V s соответственно. Предлагаемый FPL HEMT начался с изоляции мезы, которая была реализована с помощью Cl ₂ высокой мощности. / BCl ₃ травление на основе индуктивно связанной плазмы (ICP). Затем было выполнено химическое осаждение из паровой фазы (LPCVD) SiN _x толщиной 40 нм. слой был нанесен при 780 ° C / 300 мТорр с NH ₃ поток 280 sccm и SiH ₂ Cl ₂ расход 70 см3 / мин, что дает скорость осаждения 3,7 нм / мин. Показатель преломления измеряется эллипсометром как 1,978, а отношение N / Si SiN _x составляет 1,31 [25]. Кристалличность LPCVD SiN _x является аморфным, что подтверждается микрофотографией просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HR-TEM) (см. вставку к рис. 1а). После открытия окон контактов истока и стока SF ₆ После плазменного сухого травления омический контакт Ti / Al / Ni / Au (20/150/45/55 нм) был нанесен и отожжен при 890 ° C в течение 30 с в N ₂ окружающий. Контактное сопротивление 1 Ом мм и сопротивление листа 400 Ом / квадрат были получены методом линейных линий передачи. Затем металлический электрод затвора формируется путем осаждения и снятия Ni / Au (50 нм / 150 нм). Затем окно имплантации ионов фтора (длина окна =3 мкм) было сформировано фоторезистом AZ5214, и ионы фтора были имплантированы ионным имплантером SEN NV-GSD-HE при энергии 10 кэВ в дозе 1 × 10 ¹² см ⁻² . Наконец, образцы были отожжены при 400 ° C в течение 15 мин в N ₂ окружающей среды, чтобы завершить процесс изготовления транзисторов [26].

Трехмерная схема а FPL HEMT (вставка:микрофотография HR-TEM LPCVD SiN _x ), b FBL HEMT и c Конв. HEMT

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показан профиль концентрации ионов фтора, измеренный методом вторичной ионной масс-спектроскопии (SIMS), и смоделированная концентрация вакансий с помощью TRIM вдоль линий разреза:(a) A-A ' FPL HEMT и (b) B-B ′ FBL HEMT соответственно. При одинаковой энергии и дозе имплантации ионов фтора, измеренное положение пика от поверхности и максимальная концентрация профиля фтора почти одинаковы для двух структур. В случае имплантации ионов фтора в тонкий барьерный слой AlGaN индуцированные фтором вакансии распространяются в область канала 2DEG. Распределение концентрации вакансий прерывистое на каждой границе раздела, потому что энергия связи каждого материала разная [27]. Однако в случае имплантации ионов фтора в толстый SiN _x слой пассивирования, распределение вакансий находится в пределах SiN _x слой пассивирования и вдали от канала 2DEG. Вакансии, индуцированные ионной имплантацией, будут захватывать канал 2DEG, а 2DEG может быть легко захвачен, если распределение вакансий близко к 2DEG [28]. В заключение, имплантация ионов фтора в толстый SiN _x пассивирующий слой может значительно снизить влияние ионной имплантации на канал 2DEG и эффективно подавить деградацию статических и динамических характеристик.

Измеренный профиль SIMS концентрации ионов фтора и смоделированная концентрация вакансий с помощью TRIM вдоль линий разреза. а А-А '. б B-B ′

На рисунке 3 показаны измеренные значения I-V . передаточные характеристики и выходные характеристики постоянного тока (DC). По сравнению с Конв. HEMT, как FPL HEMT, так и FBL HEMT показывают уменьшение I _DS и увеличение статического сопротивления в открытом состоянии ( R _ВКЛ ), потому что ионы фтора вызывают вспомогательное истощение 2DEG в области дрейфа и, таким образом, уменьшают плотность 2DEG [29]. Кроме того, ионная имплантация также снижает подвижность ДЭГ. Подвижность 2DEG HEMT FPL и FBL, измеренная с помощью эффекта Холла, составляет 228 см ² / В с и 203 см ² / V s после ионной имплантации соответственно. Благодаря одинаковой дозе ионов фтора выходные характеристики и R _ВКЛ FPL HEMT и FBL HEMT практически одинаковы при низком напряжении стока (например, V _DS <3 В). Однако когда V _DS > 3 В, коллапс тока стока насыщения происходит в FBL HEMT, потому что профиль вакансии фтора простирается до области канала 2DEG, и 2DEG может быть легко захвачен этими вакансиями глубокого уровня, индуцированными фтором, когда напряжение стока больше критического. напряжение стока (например, В _DS > 3 В) [30], тем самым уменьшая ток стока. Распределение вакансий FPL HEMT далеко от канала 2DEG, что эффективно подавляет коллапс тока стока насыщения.

Измерено a I-V передаточные характеристики, и b Выходные характеристики постоянного тока для трех HEMT

На рисунке 4 показаны измеренные значения I-V . характеристики и смоделированные распределения поверхностного электрического поля в состоянии блокировки. BV FPL / FBL / Conv. Напряжение HEMT составляет 803/746/680 В соответственно. BV определяется как напряжение сток-исток при токе стока ( I _DS ) 1 мкА / мм при V _GS =- 4 В. Ионы фтора между затвором и стоком в качестве метода завершения уменьшают пик E-поля на краю затвора и вызывают новый пик E-поля в конце области ионной имплантации, и, таким образом, FPL HEMT и FBL HEMT обеспечивает более равномерное распределение поверхностного электрического поля и более высокий BV, чем у Conv. HEMT. По сравнению с FPL HEMT, FBL HEMT обладает усиленным эффектом модуляции электрического поля, поскольку профиль иона фтора близок к каналу 2DEG. Однако для FBL HEMT ионная имплантация неизбежно вызовет дополнительные повреждения в барьере AlGaN [31, 32], что приведет к непрерывному пути тока утечки затвора затвор-барьерный слой-2DEG ; следовательно, BV FBL HMET немного меньше, чем у FPL HEMT.

а Измерено отключенное состояние I-V характеристики с напряжением затвора −4 В, поддерживающим плавающую подложку. б Смоделированные распределения поверхностного электрического поля при V _DS =150 В

Импульсный I _DS - V _DS измерения [33] при медленном переключении были выполнены для характеристики поведения динамического сопротивления в открытом состоянии ( R _{ВКЛ, Д} ) изготовленных НЕМТ AlGaN / GaN. На рис. 5а схематически показано приложение напряжения напряжения во время импульсного I _DS - V _DS измерения. В импульсном I-V во время измерений на электроды затвора и стока GaN HEMTs воздействовали короткими импульсами напряжения перед каждым I-V измерения, чтобы убедиться, что устройства были в выключенном состоянии. Ширина импульса составляет 3 мс, а период - 5 мс. На рис. 5b – d показано сравнение импульсных выходных характеристик устройств под ( V _GS0 , V _DS0 ) из (0 В, 0 В) и (0 В, 100 В). Видно, что есть малейшее ухудшение (12,3%) динамического сопротивления включению для Conv. HEMT из-за отсутствия процесса имплантации ионов фтора. По сравнению с FBL HEMT, FPL HEMT имеет низкую деградацию динамического сопротивления включению. Благодаря пассивирующему слою распределение вакансий находится далеко от канала 2DEG и находится внутри пассивирующего слоя, что подавляет захват заряда в FPL HEMT. На рисунке 6 показаны значения отношения R _{ВКЛ, Д} / R _ВКЛ для трех HEMT под ( V _GS0 , V _DS0 ) от (0 В, 0 В) и (0 В, 100 В) с шагом 20 В. Для FBL HEMT измеренное значение R _{ВКЛ, Д} уже увеличивается на 98% от статического при ( V _GS0 , V _DS0 ) значений (0 В, 0 В) и (0 В, 100 В), а R _{ВКЛ, Д} FPL HEMT увеличивается всего на 23% при высоком смещении покоя стока 100 В.

а Схема, изображающая приложение напряжения напряжения во время импульсного I _DS - V _DS измерения. Импульсный I _DS - V _DS характеристики изготовленных HEMT AlGaN / GaN с b FPL HEMT, c FBL HEMT и d Конв. HEMT ( V _GS =- 4 ~ 0 В; шаг:0,5 В)

Коэффициент R _{ВКЛ, Д} / R _ВКЛ для изготовленных HEMT в различных точках смещения покоящегося дренажа. Ширина и период импульса составляют 3 мс и 5 мс соответственно

Выводы

В заключение мы предложили новый AlGaN / GaN HEMT с высоким напряжением пробоя и низким динамическим сопротивлением в открытом состоянии. Оснащен имплантацией ионов фтора в толстый SiN _x слой пассивации. Имплантация ионов фтора в пассивирующий слой может эффективно подавить ухудшение электрических характеристик. Динамическое сопротивление в открытом состоянии всего в 1,23 раза больше, чем статическое сопротивление в открытом состоянии после выключенного состояния V _DS напряжение 100 В, а для FBL HEMT - 1,98 раза. Кроме того, ионы фтора в пассивирующем слое также модулируют распределение E-поля и расширяют область обеднения; таким образом, BV предлагаемого HEMT увеличивается до 803 В с 680 В обычного AlGaN / GaN HEMT.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

2DEG:

Двумерный электронный газ

HEMT:

Транзистор с высокой подвижностью электронов

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

LPCVD:

Химическое осаждение из паровой фазы под низким давлением

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

SIMS:

Масс-спектроскопия вторичных ионов

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп