Tegangan Kerusakan Tinggi dan HEMT AlGaN/GaN Resistensi ON Dinamis Rendah dengan Implantasi Ion Fluor di Lapisan Pasifasi SiNx
Abstrak
Dalam penelitian ini, kami mengusulkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan tegangan tembus tinggi (BV) dan resistansi ON dinamis rendah (RAKTIF, H ) Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) AlGaN/GaN dengan menanamkan ion fluor dalam SiNx yang tebal lapisan pasivasi antara elektroda gerbang dan saluran pembuangan. Alih-alih implantasi ion fluor di lapisan penghalang AlGaN tipis, posisi puncak dan distribusi kekosongan jauh dari saluran gas elektron dua dimensi (2DEG) dalam kasus implantasi ion fluor di lapisan pasivasi tebal, yang secara efektif menekan langsung arus (DC) statis dan degradasi karakteristik dinamis berdenyut. Ion fluor dalam lapisan pasivasi juga memperluas daerah penipisan dan meningkatkan kekuatan medan listrik rata-rata (medan E) antara gerbang dan saluran pembuangan, yang mengarah pada peningkatan BV. BV dari HEMT yang diusulkan meningkat menjadi 803 V dari 680 V dari AlGaN/GaN HEMT (Conv. HEMT) konvensional dengan parameter dimensi yang sama. R . yang diukur AKTIF, H dari HEMT yang diusulkan hanya meningkat sebesar 23% pada bias diam saluran tinggi 100 V, sedangkan RAKTIF, H HEMT dengan implantasi ion fluor di lapisan penghalang tipis AlGaN meningkat sebesar 98%.
Latar Belakang
Dalam beberapa dekade terakhir, bahan semikonduktor baru, seperti GaN, oksida logam, dan bahan 2D, telah dipelajari secara luas untuk lebih meningkatkan konversi energi dan efisiensi penyimpanan, karena sifat bahan dan perangkat yang unggul [1,2,3,4, 5,6,7,8]. Di antara mereka, transistor mobilitas elektron tinggi (HEMTs) AlGaN/GaN berbasis GaN adalah kandidat yang baik untuk aplikasi daya tinggi, frekuensi tinggi, dan kerugian rendah karena bidang kerusakan kritis yang tinggi dan mobilitas elektron yang tinggi [9,10,11,12,13 ,14]. Tegangan tembus (BV) adalah salah satu target desain yang paling penting, dan nilai yang dilaporkan masih jauh di bawah batas teoritis [15, 16]. Oleh karena itu, sangat penting untuk lebih meningkatkan BV, terutama bukan dengan biaya peningkatan ukuran perangkat. Beberapa teknik terminasi telah diusulkan untuk meningkatkan BV, seperti field plate [17,18,19], implantasi ion fluor [20,21,22], dan terminasi gate-edge tersembunyi [23, 24]. Ion fluor yang ditanamkan di lapisan tipis penghalang AlGaN (FBL) [22] memiliki proses fabrikasi sederhana tanpa menginduksi kapasitansi parasit tambahan; namun, posisi puncak profil fluor dan distribusi kekosongan dekat dengan saluran gas elektron dua dimensi (2DEG), yang pasti akan menyebabkan degradasi karakteristik statis dan dinamis yang signifikan.
Dalam pekerjaan ini, tegangan tembus tinggi dan resistansi ON dinamis rendah (RAKTIF, H ) AlGaN/GaN HEMT dengan implantasi ion fluor di SiNx lapisan pasif (FPL HEMT) diselidiki secara eksperimental. Tidak seperti dalam kasus implantasi ion fluor di lapisan tipis penghalang AlGaN, implantasi ion fluor di lapisan pasif yang tebal dapat menjaga posisi puncak distribusi fluor dan kekosongan jauh dari saluran 2DEG, sehingga secara efektif menekan degradasi karakteristik statis dan dinamis. . Ion fluor dalam lapisan pasivasi sebagai teknik terminasi juga digunakan untuk mengoptimalkan distribusi medan listrik permukaan (medan E), sehingga mencapai BV yang ditingkatkan. Kesimpulannya, FPL HEMT menunjukkan karakteristik statis dan karakteristik dinamis yang sangat baik.
Metode Fabrikasi
Gambar 1 adalah skema tiga dimensi FPL HEMT, FBL HEMT, dan Conv. HEMT, masing-masing. Semua perangkat memiliki panjang gerbang LG 2,5 μm, jarak gerbang-sumber LGS 1,5 μm, dan jarak gerbang-drain LGD dari 10 μm. Heterostruktur AlGaN/GaN epitaxial yang digunakan untuk fabrikasi FPL HEMT ditumbuhkan pada substrat silikon 6-in (111) dengan deposisi uap kimia organik logam (MOCVD). Lapisan epitaxial terdiri dari 2-nm GaN cap, 23-nm Al0,25 Ga0,75 Penghalang N, interlayer AlN 1 nm, saluran GaN 150 nm, dan buffer GaN 3,5 m. Efek Hall mengukur kepadatan dan mobilitas 2DEG adalah 9,5 × 10
12
cm
−2
dan 1500 cm
2
/Vs, masing-masing. HEMT FPL yang diusulkan dimulai dengan isolasi mesa yang diimplementasikan oleh Cl2 daya tinggi /BCl3 -Etsa plasma berpasangan induktif (ICP). Kemudian, deposisi uap kimia (LPCVD) tekanan rendah setebal 40 nm, SiNx lapisan diendapkan pada 780 °C/300 mTorr dengan NH3 aliran 280 sccm dan SiH2 Kl2 aliran 70 sccm, menghasilkan laju deposisi 3,7 nm/menit. Indeks bias diukur dengan elipsometer sebagai 1,978, dan rasio N/Si dari SiNx adalah 1,31 [25]. Kristalinitas LPCVD SiNx adalah amorf, yang dikonfirmasi oleh mikrograf mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM) (lihat inset Gambar 1a). Setelah membuka sumber dan tiriskan jendela kontak dengan SF6 plasma kering etsa, kontak ohmik Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) diendapkan dan dianil pada 890 °C selama 30 s di N2 Sekelilingnya. Resistansi kontak 1 Ω mm dan resistansi lembaran 400 Ω/persegi diekstraksi dengan metode saluran transmisi linier. Selanjutnya, elektroda logam gerbang dibentuk oleh proses pengendapan dan pengangkatan Ni/Au (50 nm/150 nm). Kemudian, jendela implantasi ion fluor (Panjang jendela = 3 μm) dibentuk oleh photoresist AZ5214, dan ion fluor ditanamkan oleh implanter ion SEN NV-GSD-HE dengan energi 10 keV dengan dosis 1 × 10
12
cm
−2
. Terakhir, sampel dianil pada suhu 400 °C selama 15 menit di N2 ambient untuk menyelesaikan aliran fabrikasi transistor [26].
Skema tiga dimensi a FPL HEMT (inset:mikrograf HR-TEM dari LPCVD SiNx ), b FBL HEMT, dan c konv. HEMT
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan profil spektroskopi massa ion (SIMS) sekunder terukur dari konsentrasi ion fluor dan konsentrasi kekosongan yang disimulasikan oleh TRIM di sepanjang garis potong:(a) A-A′ dari FPL HEMT dan (b) B-B′ dari FBL HEMT, masing-masing. Pada energi dan dosis implantasi ion fluor yang sama, posisi puncak terukur dari permukaan dan konsentrasi maksimum profil fluor hampir sama untuk kedua struktur. Dalam kasus implantasi ion fluor di lapisan penghalang tipis AlGaN, kekosongan yang disebabkan oleh fluor meluas ke wilayah saluran 2DEG. Distribusi konsentrasi kekosongan terputus-putus pada setiap antarmuka karena energi ikat setiap bahan berbeda [27]. Namun, dalam kasus implantasi ion fluor dalam SiN tebalx lapisan pasif, distribusi kekosongan terletak di dalam SiNx lapisan pasif dan jauh dari saluran 2DEG. Kekosongan yang disebabkan oleh implantasi ion akan menjebak saluran 2DEG, dan 2DEG dapat dengan mudah terperangkap jika distribusi kekosongan dekat dengan 2DEG [28]. Kesimpulannya, implantasi ion fluor dalam SiN tebalx lapisan pasif dapat secara signifikan mengurangi pengaruh implantasi ion pada saluran 2DEG dan menekan degradasi karakteristik statis dan dinamis secara efektif.
Profil SIMS yang diukur dari konsentrasi ion fluor dan konsentrasi kekosongan yang disimulasikan oleh TRIM di sepanjang garis potong. aA-A′.bB-B′
Gambar 3 menerangi pengukuran I-V karakteristik transfer dan karakteristik keluaran arus searah (DC). Dibandingkan dengan Konv. HEMT, baik HEMT FPL maupun HEMT FBL menunjukkan penurunan IDS dan peningkatan resistensi ON statis (RAKTIF ), karena ion fluor menyebabkan penipisan dibantu 2DEG di wilayah drift dan dengan demikian menurunkan kepadatan 2DEG [29]. Selain itu, implantasi ion juga menurunkan mobilitas 2DEG. Efek Hall mengukur mobilitas 2DEG dari FPL dan FBL HEMT adalah 228 cm
2
/V s dan 203 cm
2
/Vs setelah implantasi ion, masing-masing. Karena dosis ion fluor yang sama, karakteristik keluaran dan RAKTIF FPL HEMT dan FBL HEMT hampir sama pada tegangan drain rendah (mis., VDS < 3 V). Namun, ketika VDS> 3 V, keruntuhan arus drain saturasi terjadi di FBL HEMT, karena profil kekosongan fluor meluas ke wilayah saluran 2DEG, dan 2DEG dapat dengan mudah terjebak oleh kekosongan level dalam yang disebabkan oleh fluor ketika tegangan saluran lebih besar dari kritis menguras tegangan (misalnya, VDS> 3 V) [30], sehingga mengurangi arus pembuangan. Distribusi vacancy FPL HEMT jauh dari saluran 2DEG, sehingga efektif menekan keruntuhan arus drain saturasi.
Diukur aI-V karakteristik transfer, dan b Karakteristik keluaran DC untuk tiga HEMT
Gambar 4 menunjukkan pengukuran I-V karakteristik dan simulasi distribusi E-field permukaan pada keadaan pemblokiran. BV dari FPL/FBL/Conv. HEMT adalah 803/746/680 V, masing-masing. BV didefinisikan sebagai tegangan sumber saluran pada arus saluran (IDS ) dari 1 μA/mm dengan VGS = − 4 V. Ion fluor antara gerbang dan saluran sebagai teknik terminasi mengurangi puncak medan-E di tepi gerbang dan menyebabkan puncak medan-E baru di ujung wilayah implantasi ion, dan dengan demikian, FPL HEMT dan FBL HEMT mencapai distribusi E-bidang permukaan yang lebih seragam dan BV yang lebih tinggi daripada Konv. HEMT. Dibandingkan dengan FPL HEMT, FBL HEMT memiliki efek modulasi medan listrik yang ditingkatkan, karena profil ion fluor dekat dengan saluran 2DEG. Namun, untuk FBL HEMT, implantasi ion pasti akan menyebabkan kerusakan tambahan pada penghalang AlGaN [31, 32], yang mengarah ke jalur arus bocor gerbang kontinu lapisan penghalang gerbang-2DEG; oleh karena itu, BV dari FBL HMET sedikit lebih kecil dari pada FPL HEMT.
a Diukur off-state I-V karakteristik dengan tegangan gerbang −4 V, menjaga substrat melayang. b Distribusi E-field permukaan yang disimulasikan di VDS = 150 V
SayaDS -VDS pengukuran [33] di bawah switching lambat dilakukan untuk mengkarakterisasi perilaku ON-resistensi dinamis (RAKTIF, H ) dari HEMT AlGaN/GaN yang dibuat. Gambar 5a adalah skema yang menggambarkan penerapan tegangan tegangan selama I . berdenyut DS -VDS pengukuran. Dalam denyut I-V pengukuran, elektroda gerbang dan saluran pembuangan HEMT GaN dikenai pulsa tegangan pendek sebelum setiap I-V pengukuran untuk memastikan bahwa perangkat dalam keadaan tidak aktif. Lebar pulsa 3 ms dan periode 5 ms. Gambar 5 b–d menunjukkan perbandingan karakteristik keluaran berdenyut dari perangkat di bawah (VGS0 , VDS0 ) dari (0 V, 0 V) dan (0 V, 100 V). Dapat dilihat bahwa ada sedikit penurunan (12,3%) dari resistansi ON dinamis untuk Conv. HEMT, karena tidak adanya proses implantasi ion fluor. Dibandingkan dengan FBL HEMT, FPL HEMT memiliki degradasi resistansi ON dinamis yang rendah. Karena lapisan pasivasi, distribusi kekosongan jauh dari saluran 2DEG dan terletak di dalam lapisan pasivasi, yang menekan perangkap muatan di FPL HEMT. Gambar 6 merangkum nilai rasio RAKTIF, H /RAKTIF untuk tiga HEMT di bawah (VGS0 , VDS0 ) dari (0 V, 0 V) dan (0 V, 100 V) pada langkah 20 V. Untuk FBL HEMT, pengukuran RAKTIF, H sudah meningkat 98% dari yang statis di (VGS0 , VDS0 ) dari (0 V, 0 V) dan (0 V, 100 V), sedangkan RAKTIF, H dari FPL HEMT meningkat hanya 23% pada bias diam saluran tinggi 100 V.
a Skema yang menggambarkan penerapan tegangan tegangan selama I . berdenyut DS -VDS pengukuran. SayaDS -VDS karakteristik HEMT AlGaN/GaN fabrikasi dengan b FPL HEMT, c FBL HEMT, dan d konv. HEMT (VGS = − 4~0 V; langkah:0,5 V)
Rasio RAKTIF, H /RAKTIF untuk HEMT yang dibuat pada titik bias drain diam yang berbeda. Lebar dan periode pulsa masing-masing adalah 3 ms dan 5 ms
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami mengusulkan HEMT AlGaN/GaN baru dengan tegangan tembus tinggi dan resistansi ON dinamis rendah. Ini fitur implantasi ion fluor di SiN tebalx lapisan pasif. Implantasi ion fluor pada lapisan pasivasi dapat secara efektif menekan penurunan karakteristik kelistrikan. Resistansi ON dinamis hanya 1,23 kali lebih besar dari resistansi ON statis setelah kondisi tidak aktif VDS tegangan 100 V, sedangkan untuk FBL HEMT adalah 1,98 kali. Selain itu, ion fluor dalam lapisan pasivasi juga memodulasi distribusi E-filed dan menyebarkan daerah penipisan; dengan demikian, BV HEMT yang diusulkan meningkat menjadi 803 V dari 680 V HEMT AlGaN/GaN konvensional.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
