AlGaN/GaN HEMT 803V耐圧達成：フッ素ドープSiNxパッシベーションで低動的オン抵抗実現

概要

803Vブレークダウン電圧（BV）達成と従来デバイス比23%増に抑えた動的オン抵抗（R_ON,D）を両立するAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）提案。鍵革新はゲート-ドレイン間厚いSi₃N₄パッシベーション層内フッ素イオン注入。薄いAlGaNバリア内注入（FBL）と異なり、この配置ではイオン濃度ピークと空孔分布が二次元電子ガス（2DEG）から遠隔、直流とパルス動的劣化双方抑制。さらに注入フッ素が空乏領域拡張、ゲート-ドレインチャネル平均電界（E-フィールド）上昇、耐圧向上基盤に。

背景

GaN系AlGaN/GaN HEMTは高臨界ブレークダウン電界と優れた電子移動度で高電力、高周波、低損失用途フロントライン技術。しかし報告最大BV理論限界大きく下回り、デバイス寸法拡大なしBV向上喫緊。複数終端戦略（フィールドプレート、フッ素イオン注入、リセスゲートエッジ終端）検討済み。薄AlGaNバリア内フッ素注入（FBL）はシンプルプロセス、最小寄生容量利点も、フッ素ピークと空孔分布が2DEG近接で静的動的性能劣化懸念。本研究で厚Si₃N₄パッシベーション層内フッ素注入（FPL）が2DEG完全性保持しつつ表面E-フィールド分布最適化、優れた静的動的特性実現実験的実証。

製造方法

図1でFPL、FBL、従来（Conv.）HEMT三次元レイアウト示す。全デバイス同一ゲート寸法：ゲート長L_G=2.5µm、ゲート-ソース間隔L_GS=1.5µm、ゲート-ドレイン間隔L_GD=10µm。エピタキシャルスタック、6インチ（111）Si基板上MOCVD成長：2nm GaNキャップ、23nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅Nバリア、1nm AlN中間層、150nm GaNチャネル、3.5µm GaNバッファ。ホール測定で2DEG密度9.5×10¹²cm⁻²、移動度1500cm²/V・s。

デバイス製造：高出力Cl₂/BCl₃誘導結合プラズマ（ICP）エッチでメサ分離。40nm LPCVD Si₃N₄層を780℃/300mTorr（NH₃=280sccm、SiH₂Cl₂=70sccm）、3.7nm/min堆積。エリプソメトリーで屈折率1.978、N/Si比1.31；HR-TEMで非晶質結晶性確認（図1aインセット）。

ソース/ドレイン窓SF₆ドライエッチ開口、Ti/Al/Ni/Au（20/150/45/55nm）堆積、N₂中890℃30秒急速アニール。コンタクト抵抗1Ω・mm、シート抵抗400Ω/□。

ゲート電極Ni/Au（50/150nm）リフトオフパターニング。3µmフッ素注入ウィンドウAZ5214レジストパターニング、10keV、1×10¹²cm⁻²線量でSEN NV-GSD-HEインプランター注入。最終400℃15分N₂アニールで工程完了。

結果と考察

図2でFPL（a）とFBL（b）デバイスのフッ素二次イオン質量分析（SIMS）プロファイルとTRIMシミュレーション空孔分布示す。フッ素ピーク濃度と深度両ケース類似も、FBLデバイス空孔分布2DEGチャネル到達、FPLデバイスではSi₃N₄層内留まりチャネルから遠隔。2DEG近傍空孔キャリアトラップ原因、FPLアプローチで静的動的劣化劇的低減。

図3伝達と出力I-V曲線。Conv. HEMT比でFPL、FBLとも静的オン抵抗微増（2DEG空乏と移動度低下：注入後移動度FPL 228、FBL 203cm²/V・s）。低ドレインバイアス（V_DS<3V）でFPL、FBLオン抵抗ほぼ同一。但V_DS>3VでFBLデバイス飽和ドレイン電流崩壊（空孔プロファイル2DEG到達）、FPLデバイス安定ドレイン電流維持。

図4オフ状態I-V特性とシミュレーション表面E-フィールド分布。実測BV：FPL 803V、FBL 746V、Conv. 680V。ゲート-ドレイン間フッ素注入でゲートエッジE-フィールドピーク低減、注入領域エッジ新ピーク導入、より均一フィールドで高BV実現。FBLデバイス強いフィールド変調恩恵もバリア追加ダメージでFPL比やや低BV。

パルスI-V測定で動的オン抵抗（R_ON,D）評価（3msパルス幅、5ms周期、スロースイッチング）。図5ゼロバイアスと100Vドレインストレス下パルス出力比較。Conv. HEMT R_ON,D 12.3%上昇、FBLデバイス約2倍（98%増）。対照的にFPLデバイス仅23%増、パッシベーション層内空孔分布制限がトラップ電荷効果的抑制実証。

結論

100Vドレインストレスパルス後動的オン抵抗が静的値1.23倍に抑制されつつ803Vブレークダウン電圧達成する高性能AlGaN/GaN HEMT実証。厚Si₃N₄パッシベーション層内フッ素注入で2DEG完全性保持、トラップ電荷抑制、表面電界最適化、従来680Vから803Vへ大幅BV向上実現。

データと材料の入手可能性

本研究で生成・解析全データは公開論文に含まれます。

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

低圧化学気相堆積

MOCVD

金属有機化学気相堆積

SIMS

二次イオン質量分析

TEM

透過型電子顕微鏡