Hoge doorslagspanning en lage dynamische AAN-weerstand AlGaN/GaN HEMT met fluorionenimplantatie in SiNx-passiveringslaag

Resultaten en discussie

Afbeelding 2 toont het gemeten secundaire ionenmassaspectroscopieprofiel (SIMS) van de fluorionconcentratie en de gesimuleerde leegstandsconcentratie door TRIM langs de snijlijnen:(a) A-A′ van FPL HEMT en (b) B-B′ van respectievelijk FBL HEMT. Bij dezelfde energie en dosis fluorionenimplantatie is de gemeten piekpositie vanaf het oppervlak en de maximale concentratie van het fluorprofiel bijna hetzelfde voor de twee structuren. In het geval van de implantatie van fluorionen in de dunne AlGaN-barrièrelaag, strekken de door fluor geïnduceerde vacatures zich uit tot het 2DEG-kanaalgebied. De verdeling van de leegstandsconcentratie is bij elk grensvlak discontinu omdat de bindingsenergie van elk materiaal anders is [27]. In het geval van de implantatie van fluorionen in het dikke SiN_x passiveringslaag, de leegstandsverdeling bevindt zich binnen de SiN_x passiveringslaag en ver van het 2DEG-kanaal. De vacatures die worden veroorzaakt door ionenimplantatie zouden het 2DEG-kanaal opsluiten, en 2DEG zou gemakkelijk kunnen worden opgesloten als de vacatureverdeling dicht bij de 2DEG ligt [28]. Concluderend, implantatie van fluorionen in het dikke SiN_x passiveringslaag zou de invloed van ionenimplantatie op het 2DEG-kanaal aanzienlijk kunnen verminderen en de degradatie van statische en dynamische kenmerken effectief kunnen onderdrukken.

Gemeten SIMS-profiel van fluorionenconcentratie en gesimuleerde leegstandsconcentratie door TRIM langs de snijlijnen. een A-A′. b B-B′

Afbeelding 3 verlicht de gemeten I-V overdrachtskarakteristieken en gelijkstroom (DC) uitgangskarakteristieken. Vergeleken met de Conv. HEMT, zowel de FPL HEMT als de FBL HEMT laten een afname zien van I _DS en een toename van de statische AAN-weerstand (R _AAN ), omdat de fluorionen de geassisteerde uitputting van de 2DEG in het driftgebied veroorzaken en zo de 2DEG-dichtheid verlagen [29]. Bovendien vermindert de ionenimplantatie ook de 2DEG-mobiliteit. Het Hall-effect gemeten 2DEG-mobiliteiten van de FPL en FBL HEMT's zijn 228 cm ² /V s en 203 cm ² /V s na ionenimplantatie, respectievelijk. Door dezelfde dosis fluorionen, de outputkarakteristieken en R _AAN van FPL HEMT en FBL HEMT zijn bijna hetzelfde bij een lage afvoerspanning (bijv. V _DS < 3 V). Echter, wanneer V _DS> 3 V, de instorting van de verzadigingsafvoerstroom vindt plaats in de FBL HEMT, omdat het vacatureprofiel van fluor zich uitstrekt tot het 2DEG-kanaalgebied, en de 2DEG kan gemakkelijk worden gevangen door deze diepe vacatures die worden veroorzaakt door fluor wanneer de afvoerspanning groot is dan kritisch afvoerspanning (bijv. V _DS> 3 V) [30], waardoor de afvoerstroom afneemt. De leegstandsverdeling van FPL HEMT is verre van het 2DEG-kanaal, waardoor de verzadigingsafvoerstroom effectief wordt onderdrukt.

Gemeten a I-V overdrachtskenmerken, en b DC-uitgangskarakteristieken voor drie HEMT's

Afbeelding 4 toont de gemeten I-V karakteristieken en gesimuleerde oppervlakte E-veldverdelingen in de blokkerende toestand. De BV's van de FPL/FBL/Conv. HEMT's zijn respectievelijk 803/746/680 V. De BV wordt gedefinieerd als de afvoer-bronspanning bij de afvoerstroom (I _DS ) van 1 μA/mm met V _GS =4 V De fluorionen tussen de poort en afvoer als een terminatietechniek verminderen de E-veldpiek aan de poortrand en veroorzaken een nieuwe E-veldpiek aan het einde van het ionenimplantatiegebied, en dus FPL HEMT en FBL HEMT bereikt een meer uniforme E-veldverdeling aan het oppervlak en een hogere BV dan die van de Conv. HEMT. Vergeleken met FPL HEMT heeft FBL HEMT een verbeterd elektrisch veldmodulatie-effect, omdat het fluorionenprofiel zich dicht bij het 2DEG-kanaal bevindt. Voor de FBL HEMT zou ionenimplantatie echter onvermijdelijk extra schade veroorzaken in de AlGaN-barrière [31, 32], wat leidt tot een continu poortlekstroompad van poortbarrièrelaag-2DEG; daarom is de BV van FBL HMET iets kleiner dan die van de FPL HEMT.

een Gemeten buiten de staat I-V kenmerken met een poortspanning van −4 V, waardoor het substraat drijvend blijft. b Gesimuleerde oppervlakte E-veldverdelingen bij V _DS = 150 V

Gepulseerd I _DS -V _DS metingen [33] onder langzaam schakelen werden uitgevoerd om het gedrag van dynamische AAN-weerstand te karakteriseren (R _{AAN, D} ) van de gefabriceerde AlGaN/GaN HEMT's. Figuur 5a is het schema dat de toepassing van spanningsspanning weergeeft tijdens de gepulseerde I _DS -V _DS afmetingen. In gepulseerde I-V metingen werden de poort- en afvoerelektroden van de GaN HEMT's onderworpen aan korte spanningspulsen voor elke I-V meting om er zeker van te zijn dat de apparaten zich in de uitgeschakelde toestand bevonden. De pulsbreedte is 3 ms en de periode is 5 ms. Figuur 5 b–d toont de vergelijking van de gepulseerde uitgangskarakteristieken van de apparaten onder (V _GS0 , V _DS0 ) van (0 V, 0 V) en (0 V, 100 V). Het is te zien dat er een geringste degradatie (12,3%) van de dynamische AAN-weerstand is voor de Conv. HEMT, vanwege de afwezigheid van het implantatieproces van fluorionen. In vergelijking met FBL HEMT heeft FPL HEMT een lage degradatie van dynamische ON-weerstand. Door de passiveringslaag is de leegstandsverdeling ver weg van het 2DEG-kanaal en bevindt deze zich binnen de passiveringslaag, waardoor de ladingvangst in de FPL HEMT wordt onderdrukt. Afbeelding 6 geeft een samenvatting van de verhoudingswaarden van R _{AAN, D} /R _AAN voor de drie HEMT's onder (V _GS0 , V _DS0 ) van (0 V, 0 V) en (0 V, 100 V) in een stap van 20 V. Voor de FBL HEMT is de gemeten R _{AAN, D} is al verhoogd met 98% van de statische waarde bij (V _GS0 , V _DS0 ) van (0 V, 0 V) en (0 V, 100 V), terwijl de R _{AAN, D} van de FPL HEMT wordt met slechts 23% verhoogd bij een rustinstelling voor hoge afvoer van 100 V.

een Schematische weergave van de toepassing van spanningsspanning tijdens de gepulseerde I _DS -V _DS afmetingen. Gepulseerd I _DS -V _DS kenmerken van de gefabriceerde AlGaN/GaN HEMT's met b FPL HEMT, c FBL HEMT en d conv. HEMT (V _GS = − 4~0 V; stap:0,5 V)

Verhouding van R _{AAN, D} /R _AAN voor de gefabriceerde HEMT's op verschillende rustige afvoerbiaspunten. De pulsduur en periode zijn respectievelijk 3 ms en 5 ms