AlGaN/GaN HEMTs met 803 V doorbraak: Fluor-dotated SiNx-passivering levert lage dynamische ON-weerstand

Samenvatting

We introduceren een AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) die een 803 V doorbraakspanning (BV) bereikt en een bescheiden 23% toename in dynamische ON-weerstand (R_ON,D) vergeleken met een conventioneel apparaat. De sleutelinnovatie is fluor-ion-implantatie binnen de dikke Si₃N₄-passiveringslaag gelegen tussen de gras en drain. In tegenstelling tot fluor-implantatie in de dunne AlGaN-barrière, plaatst deze configuratie de ion-piek en vacature-verdeling ver van het twee-dimensionale elektronen-gas (2DEG), wat zowel DC als gepulste-dynamische degradatie onderdrukt. Bovendien breidt het geïmplanteerde fluor de depletierregio uit en verhoogt het gemiddelde electrisch veld (E-veld) over de gras-drain-kanaal, wat de verhoogde BV ten grondslag ligt.

Achtergrond

GaN-gebaseerde AlGaN/GaN HEMTs zijn de frontline-technologie voor hoog-vermogen, hoge-frequentie en lage-verlies toepassingen, dankzij hun hoge kritische doorbraakveld en uitzonderlijke elektronenmobiliteit. Toch blijven de maximaal gerapporteerde doorbraakspanningen ver onder theoretische limieten, wat het imperatief maakt om BV verder te duwen zonder apparaten te vergroten. Verschillende terminatiestrategieën - zoals veldplaten, fluor-ion-implantatie en ingezette gras-rand-terminatie - zijn verkend om BV te verhogen. Fluor-implantatie in de dunne AlGaN-barrière (FBL) biedt een eenvoudig proces en minimale parasitaire capaciteit, maar de nabijheid van de fluor-piek en vacature-verdeling tot de 2DEG kan zowel statische als dynamische apparaatprestaties degraderen. In dit werk demonstreren we experimenteel dat fluor-implantatie in de dikke Si₃N₄-passiveringslaag (FPL) de integriteit van de 2DEG behoudt terwijl tegelijkertijd de oppervlakte E-velddistributie geoptimaliseerd wordt. De resulterende HEMT vertoont superieure statische en dynamische kenmerken.

Fabricatiemethodes

Figuur 1 illustreert de driedimensionale layout van de FPL, FBL en conventionele (Conv.) HEMTs. Alle apparaten delen identieke grasdimensies: gras-lengte L_G=2,5 µm, gras-bron-afstand L_GS=1,5 µm en gras-drain-afstand L_GD=10 µm. De epitaxiale stapel, gegroeid op een 6-inch (111) Si-substraat door metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD), bestaat uit een 2-nm GaN-cap, 23-nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N barrière, 1-nm AlN-interlaag, 150-nm GaN-kanaal en een 3,5-µm GaN-buffer. Hall-metingen leverden een 2DEG-dichtheid van 9,5×10¹² cm⁻² en mobiliteit van 1500 cm²/V·s op.

Apparaatfabricatie begon met mesa-isolatie via een hoog-vermogen Cl₂/BCl₃ inductief gekoppeld plasma (ICP) ets. Een 40-nm LPCVD Si₃N₄-laag werd vervolgens gedeponeerd bij 780°C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm), wat 3,7 nm/min opleverde. Ellipsometrie meet een brekingsindex van 1,978 en een N/Si-verhouding van 1,31; HR-TEM bevestigde de amorfe kristallijnheid (inset, Fig. 1a). Bron- en drain-vensters werden geopend door SF₆ droog-ets, gevolgd door depositie van Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) en snelle annealing bij 890°C gedurende 30 s in N₂. De resulterende contactweerstand was 1 Ω·mm en vlakweerstand 400 Ω/□. De graselektrode werd gedefinieerd door Ni/Au (50/150 nm) lift-off. Een 3-µm fluor-implantatie-venster werd gepatroneerd met AZ5214 resist, en ionen geïmplanteerd bij 10 keV met een dosis van 1×10¹² cm⁻² met een SEN NV-GSD-HE implanter. Finale annealing bij 400°C gedurende 15 min in N₂ voltooide het proces.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 presenteert het secundaire-ion-massaspectrometrie (SIMS) profiel van fluor en de gesimuleerde vacature-verdeling van TRIM voor zowel de FPL (a) als FBL (b) apparaten. Hoewel de fluor-piekconcentratie en -diepte in beide gevallen vergelijkbaar zijn, strekt de vacature-verdeling in het FBL-apparaat zich uit tot het 2DEG-kanaal, terwijl in het FPL-apparaat het binnen de Si₃N₄-laag blijft, ver van het kanaal. Omdat vacatures nabij de 2DEG dragers kunnen vangen, vermindert de FPL-benadering dramatisch statische en dynamische degradatie.

Figuur 3 toont de overdrachts- en output-I-V-karakteristieken. Vergeleken met de Conv. HEMT, vertonen zowel FPL als FBL apparaten een lichte toename in statische ON-weerstand door 2DEG-depletie en verminderde mobiliteit (post-implantatie mobiliteiten: 228 cm²/V·s voor FPL, 203 cm²/V·s voor FBL). Bij lage drain-bias (V_DS < 3 V) is de ON-weerstand van de FPL- en FBL-apparaten bijna identiek. Echter, voor V_DS > 3 V lijdt het FBL-apparaat onder verzadigings-drainstroom-instorting omdat zijn vacature-profiel het 2DEG-kanaal bereikt, terwijl het FPL-apparaat stabiele drainstroom behoudt.

Figuur 4 demonstreert de uit-schakel I-V-karakteristieken en gesimuleerde oppervlakte E-velddistributies. De gemeten BV's zijn 803 V (FPL), 746 V (FBL) en 680 V (Conv.). Fluor-implantatie tussen gras en drain verlaagt de E-veldpiek aan de grasrand en introduceert een nieuwe piek aan de rand van de implantatieregio, wat een meer uniform veld en hogere BV oplevert. Het FBL-apparaat profiteert van sterkere veldmodulatie maar lijdt onder additionele barrière-schade, wat leidt tot een iets lagere BV vergeleken met FPL.

Gepulste I-V-metingen werden uitgevoerd om dynamische ON-weerstand (R_ON,D) te beoordelen onder langzame schakeling (3 ms pulsbreedte, 5 ms periode). Figuur 5 vergelijkt de gepulste output onder nul-bias en een 100 V drain-stress. De Conv. HEMT toont slechts een 12,3% stijging in R_ON,D, terwijl de FBL-apparaat R_ON,D bijna verdubbelt (98% toename). In tegenstelling vertoont het FPL-apparaat slechts een 23% toename, wat aantoont dat de vacature-verdeling beperkt tot de passiveringslaag effectief ladingvanging onderdrukt.

Conclusies

We hebben een hoogpresterende AlGaN/GaN HEMT gedemonstreerd die een 803 V doorbraakspanning bereikt terwijl de dynamische ON-weerstand slechts 1,23 keer zijn statische waarde is na een 100 V drain-stress-puls. Fluor-implantatie in de dikke Si₃N₄-passiveringslaag behoudt de 2DEG-integriteit, onderdrukt ladingvanging en optimaliseert het oppervlakte-elektrisch veld, wat een aanzienlijke BV-toename van 680 V (conventioneel) naar 803 V mogelijk maakt.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in het gepubliceerde artikel.

Afkortingen

2DEG

Twee-dimensionaal elektronen-gas

HEMT

High electron mobility transistor

ICP

Inductief gekoppeld plasma

LPCVD

Lage-druk chemische dampdepositie

MOCVD

Metaal-organische chemische dampdepositie

SIMS

Secundaire-ion-massaspectrometrie

TEM

Transmissie-elektronenmicroscoop