AlGaN/GaN HEMTs mit 803 V Durchbruch: Fluor-dotiertes SiNx-Passivierung ergibt niedrigen dynamischen ON-Widerstand

Zusammenfassung

Wir stellen einen AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistor (HEMT) vor, der eine Durchbruchspannung (BV) von 803 V und einen moderaten Anstieg des dynamischen ON-Widerstands (R_{ON, D}) um 23 % im Vergleich zu einem konventionellen Gerät erreicht. Die Schlüsselinnovation ist Fluorin-Ionenimplantation innerhalb der dicken Si₃N₄ Passivierungsschicht zwischen Gate und Drain. Im Gegensatz zur Fluorin-Implantation in die dünne AlGaN-Barriere platziert diese Konfiguration den Ionen-Peak und die Vacanz-Verteilung weit vom zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), wodurch sowohl DC- als auch gepulste-dynamische Degradation unterdrückt wird. Zusätzlich erweitert das implantierte Fluorin die Verarmungszone und erhöht das durchschnittliche elektrische Feld (E-Feld) über den Gate-Drain-Kanal, was den erhöhten BV untermauert.

Hintergrund

GaN-basierte AlGaN/GaN HEMTs sind Frontlinien-Technologie für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Niedrigverlust-Anwendungen, dank ihres hohen kritischen Durchbruchsfelds und exzellenter Elektronenbeweglichkeit. [^9][^10][^11][^12][^13][^14] Doch die maximal berichteten Durchbruchsspannungen bleiben weit unter theoretischen Limits, was es imperativ macht, BV weiter zu steigern, ohne Gerätedimensionen zu vergrößern. [^15][^16] Mehrere Terminierungsstrategien – wie Feldplatten, Fluorin-Ionenimplantation und rezessierte Gate-Kanten-Terminierung – wurden erforscht, um BV zu erhöhen. [^17][^18][^19][^20][^21][^22][^23][^24] Fluorin-Implantation in die dünne AlGaN-Barriere (FBL) bietet einen einfachen Prozess und minimale parasitäre Kapazität, aber die Nähe des Fluorin-Peaks und der Vacanz-Verteilung zum 2DEG kann sowohl statische als auch dynamische Geräteleistung degradieren. [^22][^27][^28] In dieser Arbeit demonstrieren wir experimentell, dass Fluorin-Implantation in die dicke Si₃N₄ Passivierungsschicht (FPL) die Integrität des 2DEG bewahrt, während gleichzeitig die Oberflächen-E-Feld-Verteilung optimiert wird. Der resultierende HEMT zeigt überlegene statische und dynamische Charakteristiken.

Fertigungsmethoden

Abbildung 1 illustriert das dreidimensionale Layout der FPL, FBL und konventionellen (Conv.) HEMTs. Alle Geräte teilen identische Gate-Dimensionen: Gate-Länge L_G=2,5 µm, Gate-Source-Abstand L_GS=1,5 µm und Gate-Drain-Abstand L_GD=10 µm. Der epitaxiale Stapel, auf einem 6-Zoll (111) Si-Substrat durch Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) gewachsen, besteht aus einer 2-nm GaN-Kappe, 23-nm Al_0,25Ga_0,75N Barriere, 1-nm AlN Zwischenschicht, 150-nm GaN Kanal und 3,5-µm GaN Puffer. Hall-Messungen ergaben 2DEG-Dichte von 9,5×10¹² cm^–2 und Beweglichkeit von 1500 cm²/V·s.

Die Gerätefertigung begann mit Mesa-Isolierung via Hochleistungs-Cl₂/BCl₃ Induktiv Gekoppeltes Plasma (ICP) Ätzen. Eine 40-nm LPCVD Si₃N₄ Schicht wurde bei 780 °C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm) abgeschieden, erreichend 3,7 nm/min. Ellipsometrie maß einen Brechungsindex von 1,978 und ein N/Si-Verhältnis von 1,31; HR-TEM bestätigte amorphe Kristallinität (Inset, Abb. 1a). Source- und Drain-Fenster wurden durch SF₆ Trockenätzen geöffnet, gefolgt von Abscheidung von Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) und Rapid Annealing bei 890 °C für 30 s in N₂. Der resultierende Kontaktwiderstand betrug 1 Ω·mm und Schichtwiderstand 400 Ω/□. Das Gate-Elektrode wurde durch Ni/Au (50/150 nm) Lift-off definiert. Ein 3-µm Fluorin-Implantationsfenster wurde mit AZ5214 Resist strukturiert, und Ionen wurden bei 10 keV mit einer Dosis von 1×10¹² cm^–2 mittels SEN NV-GSD-HE Implanter implantiert. Finales Annealing bei 400 °C für 15 min in N₂ schloss den Prozess ab.

Dreidimensionales Schema von a FPL HEMT (Inset: HR-TEM Mikrografie von LPCVD Si₃N₄), b FBL HEMT und c Conv. HEMT

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 präsentiert das Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) Profil von Fluorin und die simulierte Vacanz-Verteilung von TRIM für sowohl FPL (a) als auch FBL (b) Geräte. Während Fluorin-Peak-Konzentration und -Tiefe in beiden Fällen ähnlich sind, erstreckt sich die Vacanz-Verteilung im FBL-Gerät in den 2DEG-Kanal, während sie im FPL-Gerät innerhalb der Si₃N₄ Schicht bleibt, fern vom Kanal. Da Vakanzen nahe dem 2DEG Träger fangen können, reduziert der FPL-Ansatz dramatisch statische und dynamische Degradation.

Gemessenes SIMS-Profil der Fluorin-Ionenkonzentration und simulierte Vacanz-Konzentration durch TRIM entlang der Schnittlinien. a A-A′. b B-B′

Abbildung 3 zeigt Transfer- und Output-I-V-Kurven. Im Vergleich zum Conv. HEMT zeigen sowohl FPL als auch FBL Geräte einen leichten Anstieg des statischen ON-Widerstands durch 2DEG-Verarmung und reduzierte Beweglichkeit (Post-Implantations-Beweglichkeiten: 228 cm²/V·s für FPL, 203 cm²/V·s für FBL). Bei niedrigem Drain-Bias (V_DS < 3 V) ist der ON-Widerstand der FPL- und FBL-Geräte nahezu identisch. Für V_DS > 3 V leidet das FBL-Gerät unter Sättigungs-Drainstrom-Kollaps, da sein Vacanz-Profil den 2DEG-Kanal erreicht, während das FPL-Gerät stabilen Drainstrom beibehält.

Gemessene a I-V Transferkennlinien und b DC Output-Kennlinien für drei HEMTs

Abbildung 4 demonstriert Off-State I-V-Kennlinien und simulierte Oberflächen-E-Feld-Verteilungen. Die gemessenen BVs betragen 803 V (FPL), 746 V (FBL) und 680 V (Conv.). Fluorin-Implantation zwischen Gate und Drain senkt den E-Feld-Peak an der Gate-Kante und führt einen neuen Peak am Rand der Implantationsregion ein, was ein gleichmäßigeres Feld und höheren BV ergibt. Das FBL-Gerät profitiert von stärkerer Feldmodulation, leidet aber unter zusätzlicher Barriereschädigung, was zu leicht niedrigerem BV im Vergleich zu FPL führt.

a Gemessene Off-State I-V-Kennlinien mit Gate-Spannung von –4 V, Substrat gefloatet. b Simulierte Oberflächen-E-Feld-Verteilungen bei V_DS = 150 V

Gepulste I-V-Messungen wurden durchgeführt, um dynamischen ON-Widerstand (R_{ON, D}) unter langsamer Schaltung (3 ms Pulsbreite, 5 ms Periode) zu bewerten. Abbildung 5 vergleicht den gepulsten Output unter Null-Bias und 100 V Drain-Stress. Der Conv. HEMT zeigt nur 12,3 % Anstieg von R_{ON, D}, während der FBL-Gerät R_{ON, D} fast verdoppelt (98 % Anstieg). Im Gegensatz dazu zeigt das FPL-Gerät nur 23 % Anstieg, was demonstriert, dass die auf die Passivierungsschicht begrenzte Vacanz-Verteilung Ladungsfängen effektiv unterdrückt.

a Schema der Stress-Spannungsanwendung für gepulste I-V-Messungen. Gepulste I-V-Kennlinien von FPL HEMT (b), FBL HEMT (c) und Conv. HEMT (d) (V_GS = –4 V bis 0 V; Schritt 0,5 V)

Verhältnis von R_{ON, D}/R_ON versus Ruhespannung Drain-Bias. Pulsbreite 3 ms, Periode 5 ms

Schlussfolgerungen

Wir haben einen hochleistungsfähigen AlGaN/GaN HEMT demonstriert, der 803 V Durchbruchspannung erreicht, während der dynamische ON-Widerstand nur 1,23-fach seines statischen Werts nach einem 100 V Drain-Stress-Puls beträgt. Fluorin-Implantation in die dicke Si₃N₄ Passivierungsschicht bewahrt 2DEG-Integrität, unterdrückt Ladungsfängen und optimiert das Oberflächen-Elektrische Feld, was einen substanziellen BV-Anstieg von 680 V (konventionell) auf 803 V ermöglicht.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind im veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

2DEG

Zweidimensionales Elektronengas

HEMT

High Electron Mobility Transistor

ICP

Induktiv Gekoppeltes Plasma

LPCVD

Low Pressure Chemical Vapor Deposition

MOCVD

Metal Organic Chemical Vapor Deposition

SIMS

Secondary Ion Mass Spectrometry

TEM

Transmissionselektronenmikroskop