SiNxパッシベーション層にフッ素イオンを注入した高絶縁破壊電圧と低動的ON抵抗AlGaN / GaN HEMT

背景

ここ数十年で、GaN、金属酸化物、2D材料などの新しい半導体材料は、その優れた材料とデバイスの特性により、エネルギー変換と貯蔵効率をさらに高めるために広く研究されてきました[1,2,3,4、 5,6,7,8]。中でも、GaNベースのAlGaN / GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、臨界破壊電界が高く、電子移動度が高いため、高出力、高周波、低損失のアプリケーションに適しています[9、10、11、12、13 、14]。絶縁破壊電圧（BV）は最も重要な設計目標の1つであり、報告された値はまだ理論上の限界をはるかに下回っています[15、16]。したがって、特にデバイスサイズを大きくすることを犠牲にしてではなく、BVをさらに改善することが非常に重要です。フィールドプレート[17、18、19]、フッ素イオン注入[20、21、22]、埋め込みゲートエッジ終端[23、24]など、BVを改善するためのいくつかの終端技術が提案されています。薄いAlGaNバリア層（FBL）に注入されたフッ素イオン[22]は、追加の寄生容量を誘発することなく、単純な製造プロセスを備えています。ただし、フッ素プロファイルと空孔分布のピーク位置は2次元電子ガス（2DEG）チャネルの近くにあるため、必然的に静的および動的な特性が大幅に低下します。

この作業では、高い絶縁破壊電圧と低い動的ON抵抗（ R _ON、D ）SiN _x にフッ素イオン注入を施したAlGaN / GaN HEMT パッシベーション層（FPL HEMT）を実験的に調べます。薄いAlGaNバリア層へのフッ素イオン注入の場合とは異なり、厚いパッシベーション層へのフッ素イオン注入は、フッ素のピーク位置と空孔分布を2DEGチャネルから遠くに保つことができるため、静的および動的な特性劣化を効果的に抑制できます。 。終端技術としてのパッシベーション層のフッ素イオンは、表面電界（E-field）分布を最適化するためにも使用され、BVの向上を実現します。結論として、FPLHEMTは優れた静的特性と動的特性を示します。

作成方法

図1は、FPL HEMT、FBL HEMT、およびConvの3次元概略図です。それぞれHEMT。すべてのデバイスはゲート長 L を備えています _G 2.5μm、ゲート-ソース間距離 L _GS 1.5μm、ゲート-ドレイン距離 L _GD 10μmの。 FPLHEMTの製造に使用されるエピタキシャルAlGaN / GaNヘテロ構造は、有機金属化学蒸着（MOCVD）によって6インチ（111）シリコン基板上に成長しました。エピタキシャル層は、2 nm GaNキャップ、23 nm Al _0.25 で構成されています。 Ga _0.75 Nバリア、1 nm AlN中間層、150 nm GaNチャネル、および3.5μmGaNバッファ。 2DEGのホール効果測定密度と移動度は9.5×10 ¹² でした。 cm ⁻² および1500cm ² それぞれ/ Vs。提案されたFPLHEMTは、高電力Cl ₂ によって実装されたメサ分離から始まりました。 / BCl ₃ ベースの誘導結合プラズマ（ICP）エッチング。次に、厚さ40 nmの低圧化学蒸着（LPCVD）SiN _x 層は、NH ₃ を使用して780°C / 300mTorrで堆積されました。 280sccmのフローとSiH ₂ Cl ₂ 70 sccmの流量、3.7 nm / minの堆積速度をもたらします。屈折率はエリプソメーターで1.978と測定され、SiN _x のN / Si比は 1.31 [25]です。 LPCVD SiN _x の結晶化度 はアモルファスであり、高分解能透過型電子顕微鏡（HR-TEM）顕微鏡写真で確認できます（図1aの挿入図を参照）。 SF ₆ でソースとドレインのコンタクトウィンドウを開いた後 プラズマドライエッチングでは、Ti / Al / Ni / Au（20/150/45/55 nm）オーミックコンタクトが堆積され、N ₂ 中で890°Cで30秒間アニールされました。 アンビエント。線形伝送線路法により、1Ωmmの接触抵抗と400Ω/平方のシート抵抗を抽出しました。次に、ゲート金属電極は、Ni / Au（50 nm / 150 nm）堆積およびリフトオフプロセスによって形成されます。次に、AZ5214フォトレジストでフッ素イオン注入窓（窓の長さ=3μm）を形成し、SENNV-GSD-HEイオン注入装置で10keVのエネルギーで1×10 12 cm ⁻² 。最後に、サンプルをN ₂ 中で400°Cで15分間アニーリングしました。 トランジスタ製造フローを完了するための周囲温度[26]。

a の3次元概略図 FPL HEMT（挿入図：LPCVD SiN _x のHR-TEM顕微鏡写真 ）、 b FBL HEMT、および c コンバージョンHEMT

結果と考察

図2は、フッ素イオン濃度の測定された二次イオン質量分析（SIMS）プロファイルと、カットラインに沿ったTRIMによるシミュレートされた空孔濃度を示しています。（a） A-A ' FPL HEMTおよび（b） B-B ' それぞれFBLHEMTの同じエネルギーと量のフッ素イオン注入で、表面から測定されたピーク位置とフッ素プロファイルの最大濃度は、2つの構造でほぼ同じです。薄いAlGaNバリア層へのフッ素イオン注入の場合、フッ素によって誘発された空孔は2DEGチャネル領域にまで及びます。材料ごとに結合エネルギーが異なるため、空孔濃度の分布は各界面で不連続になります[27]。ただし、厚いSiN _x へのフッ素イオン注入の場合 パッシベーション層、空孔分布はSiN _x 内にあります パッシベーション層であり、2DEGチャネルから遠く離れています。イオン注入によって誘発された空孔は2DEGチャネルをトラップし、空孔分布が2DEGに近い場合は2DEGを簡単にトラップできます[28]。結論として、厚いSiN _x へのフッ素イオン注入 パッシベーション層は、2DEGチャネルへのイオン注入の影響を大幅に低減し、静的および動的な特性劣化を効果的に抑制することができます。

切断線に沿ったTRIMによるフッ素イオン濃度の測定されたSIMSプロファイルとシミュレートされた空孔濃度。 a A-A '。 b B-B '

図3は、測定された I-V を示しています。 伝達特性と直流（DC）出力特性。コンバージョンと比較してHEMT、FPLHEMTとFBLHEMTの両方が I の減少を示しています _DS 静的ON抵抗の増加（ R _オン ）、フッ素イオンがドリフト領域で2DEGの補助的な枯渇を引き起こし、2DEG密度を低下させるためです[29]。さらに、イオン注入によって2DEGの移動度も低下します。 FPLおよびFBLHEMTの2DEG移動度を測定したホール効果は228cm ² です。 / Vsおよび203cm ² それぞれ、イオン注入後の/Vs。同じ線量のフッ素イオンにより、出力特性と R _オン FPLHEMTとFBLHEMTの比率は、低いドレイン電圧（ V など）でほぼ同じです。 _DS <3 V）。ただし、 V の場合 _DS > 3 V、FBL HEMTで飽和ドレイン電流の崩壊が発生します。これは、フッ素の空孔プロファイルが2DEGチャネル領域にまで及ぶため、ドレイン電圧が臨界よりも大きい場合に、フッ素によって誘発されるこれらの深いレベルの空孔によって2DEGが簡単にトラップされる可能性があるためです。ドレイン電圧（例： V _DS > 3 V）[30]、それによりドレイン電流が減少します。 FPL HEMTの空孔分布は2DEGチャネルから遠く離れているため、飽和ドレイン電流の崩壊を効果的に抑制します。

測定された a I-V 伝達特性、および b 3つのHEMTのDC出力特性

図4は、測定された I-V を示しています。 ブロッキング状態での特性とシミュレートされた表面電界分布。 FPL / FBL / ConvのBV。 HEMTはそれぞれ803/746 / 680Vです。 BVは、ドレイン電流でのドレイン-ソース間電圧（ I ）として定義されます。 _DS ） V で1μA/ mm _GS =− 4 V.終端技術としてのゲートとドレイン間のフッ素イオンは、ゲートエッジの電界ピークを低減し、イオン注入領域の終わりに新しい電界ピークを引き起こします。したがって、FPLHEMTとFBL HEMTは、Convよりも均一な表面電界分布と高いBVを実現します。 HEMT。 FPL HEMTと比較して、FBL HEMTは、フッ素イオンプロファイルが2DEGチャネルに近いため、電界変調効果が強化されています。ただし、FBL HEMTの場合、イオン注入は必然的にAlGaNバリアに追加の損傷を引き起こし[31、32]、ゲートバリア層-2DEG の連続的なゲートリーク電流経路につながります。;したがって、FBLHMETのBVはFPLHEMTのBVよりもわずかに小さくなります。

a 測定されたオフ状態の I-V ゲート電圧が-4Vの特性で、基板をフロート状態に保ちます。 b V でシミュレートされた表面電界分布 _DS =150 V

パルス I _DS - V _DS 動的ON抵抗（ R ）の動作を特徴づけるために、低速スイッチングでの測定[33]が実行されました。 _ON、D ）製造されたAlGaN / GaNHEMTの。図5aは、パルス I 中の応力電圧の印加を示す概略図です。 _DS - V _DS 測定。パルス I-V 測定では、各 I-V の前に、GaNHEMTのゲート電極とドレイン電極に短い電圧パルスを印加しました。 デバイスがオフ状態にあることを確認するための測定。パルス幅は3ms、周期は5msです。図5b–dは、（ V _GS0 、 V _DS0 ）（0 V、0 V）および（0 V、100 V）の。コンバージョンの動的ON抵抗がわずかに低下（12.3％）していることがわかります。 HEMT、フッ素イオン注入プロセスがないため。 FBL HEMTと比較して、FPLHEMTは動的ON抵抗の劣化が少ないです。パッシベーション層のおかげで、空孔分布は2DEGチャネルから遠く離れており、パッシベーション層内に配置されているため、FPLHEMTでの電荷トラップが抑制されます。図6は、 R の比率値をまとめたものです。 _ON、D / R _オン （ V の下の3つのHEMTの場合 _GS0 、 V _DS0 ）20 Vのステップで（0 V、0 V）および（0 V、100 V）から。FBLHEMTの場合、測定された R _ON、D （ V での静的なものの98％ですでに増加しています _GS0 、 V _DS0 ）（0 V、0 V）と（0 V、100 V）の、 R _ON、D FPL HEMTの値は、100 Vの高いドレイン静止バイアスで23％しか増加しません。

a パルス I 中の応力電圧の印加を示す概略図 _DS - V _DS 測定。パルス I _DS - V _DS b で作製したAlGaN / GaNHEMTの特性 FPL HEMT、 c FBL HEMT、および d コンバージョンHEMT（ V _GS =− 4〜0 V;ステップ：0.5 V）

R の比率 _ON、D / R _オン 異なる静止ドレインバイアスポイントで製造されたHEMTの場合。パルス幅と周期はそれぞれ3msと5msです

結論

結論として、我々は、高い絶縁破壊電圧と低い動的ON抵抗を備えた新しいAlGaN / GaNHEMTを提案しました。厚いSiN _x へのフッ素イオン注入が特徴です。 パッシベーション層。パッシベーション層へのフッ素イオン注入は、電気的特性の劣化を効果的に抑制することができます。動的ON抵抗は、オフ状態 V 後の静的ON抵抗のわずか1.23倍です。 _DS FBL HEMTの1.98倍であるのに対し、100Vの応力。さらに、パッシベーション層のフッ素イオンもEファイルの分布を変調し、空乏領域を広げます。したがって、提案されたHEMTのBVは、従来のAlGaN / GaNHEMTの680Vから803Vに増加します。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

2DEG：

二次元電子ガス

HEMT：

高電子移動度トランジスタ

ICP：

誘導結合プラズマ

LPCVD：

低圧化学蒸着

MOCVD：

有機金属化学蒸着

SIMS：

二次イオン質量分析

TEM：

透過型電子顕微鏡