SiNx 패시베이션 층에 불소 이온 주입을 사용한 높은 항복 전압 및 낮은 동적 ON-저항 AlGaN/GaN HEMT

초록

이 연구에서 우리는 높은 항복 전압(BV)과 낮은 동적 ON 저항(R _{ON, D} ) 두꺼운 SiN_x에 불소 이온을 주입하여 AlGaN/GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터) 게이트 전극과 드레인 전극 사이의 보호막. 얇은 AlGaN 장벽층에 불소이온을 주입하는 대신 두꺼운 보호층에 불소이온을 주입하는 경우 피크 위치와 공석 분포가 2차원 전자 가스(2DEG) 채널에서 멀리 떨어져 있어 직접 전류(DC) 정적 및 펄스 동적 특성 저하. 패시베이션 층의 불소 이온은 또한 공핍 영역을 확장하고 게이트와 드레인 사이의 평균 전기장(E-field) 강도를 증가시켜 BV를 향상시킵니다. 제안된 HEMT의 BV는 동일한 치수 매개변수를 가진 기존 AlGaN/GaN HEMT(Conv. HEMT)의 680 V에서 803 V로 증가합니다. 측정된 R _{ON, D} 제안된 HEMT는 100 V의 높은 드레인 대기 바이어스에서 23%만 증가하는 반면 R _{ON, D} 얇은 AlGaN 장벽 층에 불소 이온 주입을 사용한 HEMT의 비율이 98% 증가했습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

최근 수십 년 동안 GaN, 금속 산화물 및 2D 재료와 같은 새로운 반도체 재료는 우수한 재료 및 장치 특성으로 인해 에너지 변환 및 저장 효율을 더욱 향상시키기 위해 널리 연구되었습니다 [1,2,3,4, 5,6,7,8]. 그 중 GaN 기반 AlGaN/GaN 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 높은 임계 항복 전계와 높은 전자 이동도 때문에 고전력, 고주파 및 저손실 응용 분야에 적합한 후보입니다 [9,10,11,12,13 ,14]. 항복 전압(BV)은 가장 중요한 설계 목표 중 하나이며 보고된 값은 여전히 이론적인 한계보다 훨씬 낮습니다[15, 16]. 따라서 특히 장치 크기를 늘리는 대신 BV를 더욱 개선하는 것이 매우 중요합니다. 필드 플레이트[17,18,19], 불소 이온 주입[20,21,22], 리세스된 게이트 에지 종단[23, 24]과 같은 여러 종단 기술이 BV를 개선하기 위해 제안되었습니다. 얇은 AlGaN 장벽층(FBL)에 주입된 불소 이온[22]은 추가 기생 정전 용량을 유도하지 않고 간단한 제조 공정을 가지고 있습니다. 그러나 불소 프로파일의 피크 위치와 공석 분포는 2차원 전자 가스(2DEG) 채널에 가깝기 때문에 필연적으로 상당한 정적 및 동적 특성 저하가 발생합니다.

이 작업에서 높은 항복 전압과 낮은 동적 ON 저항(R _{ON, D} ) SiN_x에 불소 이온이 주입된 AlGaN/GaN HEMT 패시베이션 층(FPL HEMT)이 실험적으로 조사되었습니다. 얇은 AlGaN 배리어층에 불소이온을 주입하는 경우와 달리 두꺼운 보호층에 불소이온을 주입하면 2DEG 채널에서 멀리 떨어진 불소의 피크 위치와 공석 분포를 유지할 수 있으므로 정적 및 동적 특성 열화를 효과적으로 억제할 수 있습니다. . 패시베이션 층의 불소 이온은 종단 기술로도 사용되어 표면 전기장(E-field) 분포를 최적화하여 향상된 BV를 달성합니다. 결론적으로 FPL HEMT는 우수한 정적 특성과 동적 특성을 보여줍니다.

제작 방법

그림 1은 FPL HEMT, FBL HEMT, Conv의 3차원 개략도입니다. 각각 HEMT. 모든 장치는 게이트 길이가 L입니다. _G 2.5 μm의 게이트-소스 거리 L _GS 1.5 μm의 게이트-드레인 거리 L _GD 10 μm. FPL HEMT 제조에 사용된 에피택셜 AlGaN/GaN 헤테로구조는 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착)에 의해 6인치(111) 실리콘 기판에서 성장되었습니다. 에피택셜 층은 2nm GaN 캡, 23nm Al_0.25로 구성됩니다. Ga_0.75 N 장벽, 1nm AlN 중간층, 150nm GaN 채널 및 3.5μm GaN 버퍼. 홀 효과 측정된 2DEG의 밀도 및 이동도는 9.5 × 10¹² cm⁻² 및 1500 cm² /V , 각각. 제안된 FPL HEMT는 고전력 Cl₂에 의해 구현된 메사 격리로 시작되었습니다. /BCl₃ 기반 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭. 그런 다음 40nm 두께의 저압 화학 기상 증착(LPCVD) SiN_x 층은 NH₃를 사용하여 780 °C/300 mTorr에서 증착되었습니다. 280 sccm 및 SiH₂의 흐름 Cl₂ 70 sccm의 유량으로 3.7 nm/min의 증착 속도를 생성합니다. 굴절률은 1.978로 엘립소미터에 의해 측정되고 SiN_x의 N/Si 비율 1.31[25]입니다. LPCVD SiN_x의 결정도 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 현미경 사진으로 확인되는 무정형이다(그림 1a의 삽입 참조). SF₆로 소스 및 드레인 접점 창을 연 후 플라즈마 건식 에칭, Ti/Al/Ni/Au(20/150/45/55 nm) 옴 접촉이 증착되고 N₂에서 30초 동안 890°C에서 어닐링됩니다. 주변. 1 Ω mm의 접촉저항과 400 Ω/square의 면저항을 선형전송선로법으로 추출하였다. 다음으로, 게이트 금속 전극은 Ni/Au(50 nm/150 nm) 증착 및 리프트 오프 공정에 의해 형성됩니다. 그 다음, AZ5214 포토레지스트에 의해 불소 이온 주입 창(창 길이 =3 μm)을 형성하고, SEN NV-GSD-HE 이온 주입기로 1 × 1012 cm⁻² . 마지막으로, 샘플은 N₂에서 15분 동안 400°C에서 어닐링되었습니다. 트랜지스터 제조 흐름을 완료하기 위해 대기[26].

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a의 3차원 개략도 FPL HEMT(삽입:LPCVD SiN_x의 HR-TEM 현미경 사진 ), b FBL HEMT 및 c 전환수 HEMT

결과 및 토론

그림 2는 절단선을 따라 TRIM으로 측정한 2차 이온 질량 분광법(SIMS) 프로필과 불소 이온 농도와 시뮬레이션된 공석 농도를 보여줍니다. (a) A-A' FPL HEMT 및 (b) B-B' FBL HEMT의 각각. 동일한 에너지와 불소 이온 주입량에서 표면에서 측정된 피크 위치와 불소 프로파일의 최대 농도는 두 구조에서 거의 동일합니다. 얇은 AlGaN 장벽층에 불소 이온 주입의 경우, 불소에 의해 유도된 공극은 2DEG 채널 영역까지 확장됩니다. 모든 재료의 결합 에너지가 다르기 때문에 공극 농도의 분포는 각 계면에서 불연속적입니다[27]. 그러나 두꺼운 SiN_x에 불소 이온 주입의 경우 패시베이션 층, 공석 분포는 SiN_x 내에 있습니다. 패시베이션 레이어와 2DEG 채널에서 멀리 떨어져 있습니다. 이온 주입에 의해 유도된 공극은 2DEG 채널을 트래핑할 수 있으며 공극 분포가 2DEG에 가까우면 2DEG는 쉽게 트래핑될 수 있습니다[28]. 결론적으로 두꺼운 SiN_x에 불소 이온 주입 패시베이션 층은 2DEG 채널에 대한 이온 주입의 영향을 크게 줄이고 정적 및 동적 특성 저하를 효과적으로 억제할 수 있습니다.

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절단선을 따라 TRIM으로 측정된 불소 이온 농도 및 시뮬레이션된 공석 농도의 SIMS 프로파일. 아 A-A'. ㄴ 비비'

그림 3은 측정된 I-V를 조명합니다. 전달 특성 및 직류(DC) 출력 특성. 전환수와 비교 HEMT, FPL HEMT 및 FBL HEMT 모두 I 감소 _DS 및 정적 ON 저항의 증가(R _켜기 ), 불소 이온이 드리프트 영역에서 2DEG의 공핍을 보조하여 2DEG 밀도를 감소시키기 때문입니다[29]. 또한 이온 주입은 2DEG 이동도도 감소시킵니다. FPL 및 FBL HEMT의 홀 효과 측정 2DEG 이동성은 228 cm² 입니다. /V s 및 203 cm² /V s는 각각 이온 주입 후. 동일한 양의 불소 이온으로 인해 출력 특성 및 R _켜기 FPL HEMT 및 FBL HEMT는 낮은 드레인 전압에서 거의 동일합니다(예:V _DS <3 V). 그러나 V _DS> 3 V인 경우, FBL HEMT에서 포화 드레인 전류 붕괴가 발생하는데, 이는 불소의 공석 프로파일이 2DEG 채널 영역으로 확장되고 2DEG는 드레인 전압이 임계값보다 클 때 불소에 의해 유도된 이러한 깊은 수준의 공석에 의해 쉽게 포착될 수 있기 때문입니다. 드레인 전압(예:V _DS> 3 V) [30], 이에 따라 드레인 전류가 감소합니다. FPL HEMT의 공실 분포는 2DEG 채널에서 멀리 떨어져 있으므로 포화 드레인 전류 붕괴를 효과적으로 억제합니다.

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측정 a I-V 전송 특성 및 b 3개의 HEMT에 대한 DC 출력 특성

그림 4는 측정된 I-V를 보여줍니다. 특성 및 차단 상태에 대한 시뮬레이션된 표면 E-장 분포. FPL/FBL/Conv의 BV HEMT는 각각 803/746/680 V입니다. BV는 드레인 전류(I _DS ) 1 μA/mm, V _GS =− 4 V. 종단 기술로 게이트와 드레인 사이의 불소 이온은 게이트 에지에서 E-필드 피크를 감소시키고 이온 주입 영역 끝에서 새로운 E-필드 피크를 유발하므로 FPL HEMT 및 FBL HEMT는 Conv보다 더 균일한 표면 E-필드 분포와 더 높은 BV를 달성합니다. HEMT. FPL HEMT와 비교하여 FBL HEMT는 불소 이온 프로파일이 2DEG 채널에 가깝기 때문에 전계 변조 효과가 향상되었습니다. 그러나 FBL HEMT의 경우 이온 주입은 필연적으로 AlGaN 장벽에 추가 손상을 유발하여 [31, 32] gate-barrier layer-2DEG의 연속적인 게이트 누설 전류 경로로 이어집니다.; 따라서 FBL HMET의 BV는 FPL HEMT의 BV보다 약간 작습니다.

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아 측정된 오프 상태 I-V -4V의 게이트 전압으로 특성을 유지하여 기판을 부동 상태로 유지합니다. ㄴ V에서 시뮬레이션된 표면 전기장 분포 _DS =150 V

펄스 나 _DS -V _DS 동적 ON 저항(R _{ON, D} ) 제작된 AlGaN/GaN HEMT. 그림 5a는 펄스 I _DS -V _DS 측정. 펄스 I-V 측정에서 GaN HEMT의 게이트 및 드레인 전극은 각 I-V 전에 짧은 전압 펄스를 받았습니다. 장치가 꺼진 상태인지 확인하기 위한 측정. 펄스 폭은 3 ms이고 주기는 5 ms입니다. 그림 5 b–d는 (V _GS0 , V _DS0 ) (0 V, 0 V) 및 (0 V, 100 V). Conv. HEMT는 불소 이온 주입 공정이 없기 때문입니다. FBL HEMT와 비교하여 FPL HEMT는 동적 ON 저항의 열화가 낮습니다. 패시베이션 층으로 인해 공석 분포는 2DEG 채널에서 멀리 떨어져 있고 패시베이션 층 내에 위치하여 FPL HEMT에서 전하 트래핑을 억제합니다. 그림 6은 R의 비율 값을 요약합니다. _{ON, D} /R _켜기 (V _GS0 , V _DS0 ) (0 V, 0 V) 및 (0 V, 100 V)에서 20 V 단계로 FBL HEMT의 경우 측정된 R _{ON, D} (V에서 정적 것의 98%만큼 이미 증가했습니다. _GS0 , V _DS0 )의 (0 V, 0 V) 및 (0 V, 100 V), 동안 R _{ON, D} FPL HEMT의 전력은 100 V의 높은 드레인 대기 바이어스에서 23%만 증가합니다.

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아 펄스 I 동안 스트레스 전압의 적용을 나타내는 개략도 _DS -V _DS 측정. 펄스 나 _DS -V _DS b를 사용하여 제작된 AlGaN/GaN HEMT의 특성 FPL HEMT, c FBL HEMT 및 d 전환수 HEMT(V _GS =− 4~0 V; 단계:0.5 V)

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R 비율 _{ON, D} /R _켜기 다른 정지 드레인 바이어스 포인트에서 제작된 HEMT에 대해. 펄스 폭과 주기는 각각 3 ms와 5 ms입니다.

결론

결론적으로, 우리는 높은 항복 전압과 낮은 동적 ON 저항을 가진 새로운 AlGaN/GaN HEMT를 제안했습니다. 두꺼운 SiN_x에 불소 이온 주입이 특징입니다. 패시베이션 층. 패시베이션층에 불소 이온을 주입하면 전기적 특성 저하를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 동적 ON 저항은 오프 상태 V 후 정적 ON 저항의 1.23배에 불과합니다. _DS FBL HEMT의 경우 1.98배인 반면 100 V의 응력. 또한, 패시베이션 층의 불소 이온은 E-장 분포를 조절하고 공핍 영역을 확산시킵니다. 따라서 제안된 HEMT의 BV는 기존 AlGaN/GaN HEMT의 680 V에서 803 V로 증가합니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.

약어

2DEG:: 2차원 전자 가스
HEMT:: 높은 전자 이동도 트랜지스터
ICP:: 유도 결합 플라즈마
LPCVD:: 저압 화학 기상 증착
MOCVD:: 금속 유기 화학 증착
SIMS:: 2차 이온 질량 분석기
TEM:: 투과 전자 현미경

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