HEMT AlGaN/GaN dengan Tegangan Hancur 803 V: Pasivasi SiNx Doped Fluorin Hasilkan Resistensi ON Dinamis Rendah

Abstrak

Kami memperkenalkan transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) AlGaN/GaN yang mencapai tegangan hancur (BV) 803 V dan kenaikan resistensi ON dinamis (R_ON,D) sebesar 23% dibandingkan dengan perangkat konvensional. Inovasi kunci adalah implanasi ion fluorin dalam lapisan passivasi Si₃N₄ tebal yang terletak di antara gate dan drain. Berbeda dengan implanasi fluorin dalam barier AlGaN tipis, konfigurasi ini menempatkan puncak ion dan distribusi rongga jauh dari gas elektron dua dimensi (2DEG), sehingga menekan degradasi DC dan dinamis pulsed. Selain itu, fluorin yang diimplantasi memperluas wilayah depletasi dan meningkatkan rata-rata medan listrik (E‑field) di seluruh saluran gate‑drain, yang menjadi dasar peningkatan BV.

Latar Belakang

HEMT AlGaN/GaN berbasis GaN adalah teknologi garis depan untuk aplikasi daya tinggi, frekuensi tinggi, dan kerugian rendah, berkat medan hancur kritis yang tinggi dan mobilitas elektron yang luar biasa. Namun, BV maksimum yang pernah dilaporkan masih jauh di bawah batas teoritis, membuat penting untuk mendorong BV lebih jauh tanpa memperbesar dimensi perangkat. Beberapa strategi terminasi—seperti field plate, implanasi fluorin, dan terminasi tepi gate yang direcess—telah dieksplorasi untuk meningkatkan BV.

Implanasi fluorin dalam barier AlGaN tipis (FBL) menawarkan proses yang sederhana dan kapasitas parasit minimum, namun kedekatan puncak fluorin dan distribusi rongga dengan 2DEG dapat mengurangi kinerja statis dan dinamis perangkat. Dalam pekerjaan ini, kami secara eksperimental menunjukkan bahwa implanasi fluorin dalam lapisan passivasi Si₃N₄ tebal (FPL) mempertahankan integritas 2DEG sambil sekaligus mengoptimalkan distribusi medan listrik permukaan. HEMT yang dihasilkan menunjukkan karakteristik statis dan dinamis yang unggul.

Metode Pembuatan

Gambar 1 menggambarkan tata letak tiga dimensi HEMT FPL, FBL, dan konvensional (Conv.). Semua perangkat memiliki dimensi gate yang sama: panjang gate L_G = 2,5 µm, jarak gate‑sumber L_GS = 1,5 µm, dan jarak gate‑drain L_GD = 10 µm. Tumpukan epitaksi, yang ditumbuhkan pada substrat Si (111) 6 inci melalui metal‑organic chemical vapor deposition (MOCVD), terdiri dari cap GaN 2 nm, barier Al₀,₂₅Ga₀,₇₅N 23 nm, lapisan antar AlN 1 nm, saluran GaN 150 nm, dan buffer GaN 3,5 µm. Pengukuran Hall menghasilkan densitas 2DEG sebesar 9,5×10¹² cm⁻² dan mobilitas 1500 cm²/V·s.

Pembuatan perangkat dimulai dengan isolasi mesa melalui etch inductively coupled plasma (ICP) Cl₂/BCl₃ dengan daya tinggi. Lapisan Si₃N₄ 40 nm LPCVD kemudian ditetapkan pada 780 °C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm), mencapai 3,7 nm/min. Ellipsometri mengukur indeks bias 1,978 dan rasio N/Si 1,31; HR‑TEM mengonfirmasi kristalinitas amorfa (inset, Gambar 1a).

Jendela sumber dan drain dibuka dengan etch kering SF₆, diikuti dengan penyetoran Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) dan analing cepat pada 890 °C selama 30 s di N₂. Resistensi kontak yang dihasilkan adalah 1 Ω·mm dan resistansi lembar 400 Ω/□.

Elektroda gate didefinisikan oleh Ni/Au (50/150 nm) lift‑off. Jendela implanasi fluorin 3 µm diola dengan resist AZ5214, dan ion diimplantasi pada 10 keV dengan dosis 1×10¹² cm⁻² menggunakan implanter SEN NV‑GSD‑HE. Analing akhir pada 400 °C selama 15 min di N₂ menyelesaikan proses.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 menampilkan profil SIMS fluorin dan simulasi distribusi rongga dari TRIM untuk perangkat FPL (a) dan FBL (b). Meskipun konsentrasi puncak fluorin dan kedalaman mirip dalam kedua kasus, distribusi rongga dalam perangkat FBL meluas ke saluran 2DEG, sedangkan dalam perangkat FPL ia tetap terbatas dalam lapisan Si₃N₄, jauh dari saluran. Karena rongga di dekat 2DEG dapat menangkap pembawa muatan, pendekatan FPL secara dramatis mengurangi degradasi statis dan dinamis.

Gambar 3 menunjukkan kurva transfer dan output I‑V. Dibandingkan HEMT Conv., baik perangkat FPL maupun FBL menunjukkan peningkatan ringan dalam resistensi ON statis karena depletasi 2DEG dan pengurangan mobilitas (mobilitas pasca‑implanasi: 228 cm²/V·s untuk FPL, 203 cm²/V·s untuk FBL). Pada bias drain rendah (V_DS < 3 V), resistensi ON perangkat FPL dan FBL hampir identik. Namun, untuk V_DS > 3 V, perangkat FBL mengalami jatuhan arus drain saturasi karena profil rongga mencapai saluran 2DEG, sedangkan perangkat FPL mempertahankan arus drain stabil.

Gambar 4 menunjukkan karakteristik I‑V off‑state dan simulasi distribusi medan listrik permukaan. BV yang diukur adalah 803 V (FPL), 746 V (FBL), dan 680 V (Conv.). Implanasi fluorin di antara gate dan drain menurunkan puncak medan listrik di tepi gate dan memperkenalkan puncak baru di tepi wilayah implanasi, menghasilkan medan yang lebih merata dan BV yang lebih tinggi. Perangkat FBL mendapat manfaat dari modulasi medan yang lebih kuat namun menderiti kerusakan barier tambahan, yang menghasilkan BV sedikit lebih rendah dibandingkan FPL.

Pengukuran I‑V pulsed dilakukan untuk menilai resistensi ON dinamis (R_ON,D) di bawah switching lambat (lebar pulsa 3 ms, periode 5 ms). Gambar 5 membandingkan output pulsed di bawah bias nol dan stres drain 100 V. HEMT Conv. menunjukkan kenaikan 12,3% dalam R_ON,D, sementara R_ON,D perangkat FBL hampir melipat ganda (peningkatan 98%). Sebaliknya, perangkat FPL hanya menunjukkan kenaikan 23%, yang menunjukkan bahwa distribusi rongga yang terbatas dalam lapisan passivasi secara efektif menekan penangkap muatan.

Kesimpulan

Kami telah mendemonstrasikan HEMT AlGaN/GaN berkinerja tinggi yang mencapai tegangan hancur 803 V sambil mempertahankan resistensi ON dinamis hanya 1,23 kali nilai statisnya setelah pulsa stres drain 100 V. Implanasi fluorin dalam lapisan passivasi Si₃N₄ tebal mempertahankan integritas 2DEG, menekan penangkap muatan, dan mengoptimalkan medan listrik permukaan, yang memungkinkan peningkatan BV yang signifikan dari 680 V (konvensional) menjadi 803 V.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan.

Singkatan

2DEG

Gas elektron dua dimensi

HEMT

Transistor mobilitas elektron tinggi

ICP

Plasma terpadu inductif

LPCVD

Penyapukan kimia tekanan rendah

MOCVD

Penyapukan kimia organik logam

SIMS

Spektrometri massa ion sekunder

TEM

Mikroskop elektron transmisi