对p-n结/AlGaN/GaN HEMTs中n-GaN掺杂浓度对栅极可靠性的影响

第35届功率半导体器件与集成电路国际研讨会论文集2023年5月28日至6月1日，中国香港

南方科技大学电气电子工程系，深圳

标题：Impacts of n-GaN Doping Concentration on Gate Reliability of p-n Junction/AlGaN/GaN HEMTs

摘要

在这项研究中，对具有不同有效n-GaN掺杂浓度（N_D）的p-n结/AlGaN/GaN HEMTs进行了比较研究，包括1.7×10²⁰ cm^-3、2.6×10¹⁹ cm^-3和1×10¹⁷ cm^-3三种浓度。研究旨在揭示N_D对栅极可靠性的影响。随着N_D的降低，栅极泄漏电流减小，正向栅极击穿电压提高至18.6伏特，但当ND降低到1×10¹⁷ cm^-3时，10年寿命的最大适用栅极电压将不会继续增加。这一特点归因于在完全耗尽的n-GaN表面处的电场拥挤引起的过早击穿现象。为了充分发挥PNJ-HEMTs的可靠性，建议仔细设计PNJ-HEMTs的N_D，以适当扩大p-n结的耗尽区域，同时避免由电场拥挤引起的过早击穿现象。

信息解释

在重新激活过程之后，完成最终装置的以下步骤包括蒸发钛/铝/镍/金，并在氮气环境中以830°C退火45秒，形成源/漏极欧姆接触，沉积60nm的PECVD_SiNx作为钝化层，通过多能量氟离子注入进行隔离，打开栅/源/漏接触窗口，并蒸发镍/金作为栅金属和接触垫（图1）。

在这个过程中，每个步骤都有以下具体目的和作用：

1. 蒸发Ti/Al/Ni/Au并在N2环境中以830°C退火45秒：这个步骤的目的是形成源/漏极的欧姆接触。蒸发的金属层将与半导体材料相互反应，形成低电阻的接触，提供电流传输的通路。通过退火过程，金属与半导体之间形成更好的结合，进一步降低接触电阻。

2. 沉积60 nm的PECVD_SiNx作为钝化层：这个步骤的目的是添加一层保护层，称为钝化层，用于保护晶体管结构免受外部环境的影响。PECVD_SiNx是通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术制备的硅氮化物薄膜，具有良好的绝缘性能和化学稳定性，可以减少电子器件的漏电流和氧化。

3. 多能量氟离子注入进行隔离：这个步骤的目的是在晶体管的周围形成绝缘层，以隔离电子器件之间的相互影响。多能量氟离子注入可以改变材料的电学性质，形成隔离区域，降低漏电流和互连之间的电阻。

4. 打开栅/源/漏接触窗口：这个步骤的目的是在晶体管结构的表面上形成开孔，以便后续的金属沉积可以与栅极、源极和漏极相连。这些接触窗口提供了电子器件与外部电路之间的连接界面。

5. 蒸发Ni/Au作为栅金属和接触垫：这个步骤的目的是在晶体管的栅极和接触垫上沉积金属层。栅金属用于控制晶体管的通道，而接触垫用于与外部电路进行电连接。通过蒸发Ni/Au，可以形成可靠的金属电极和接触，确保电流流动和信号传输的良好性能。

总体而言，这些步骤的目的是形成高性能的电子器件结构，包括源/漏极欧姆接触、保护钝化层、隔离层和可靠的金属接触，以确保器件的正常运行和高效性能。

研究了什么

该文章研究了有效n-GaN掺杂浓度对p-n结/AlGaN/GaN HEMTs的栅极可靠性的影响。作者制备了具有不同有效n-GaN掺杂浓度的PNJ-HEMTs，并分析了ND对栅极可靠性影响的基本机制，以提供PNJ外延设计的指导，以充分发挥PNJ-HEMTs的可靠性。

文章创新点

该文章的创新点包括：

• 作者对具有不同有效n-GaN掺杂浓度的PNJ-HEMTs进行了比较研究，揭示了ND对栅极可靠性的影响。
• 作者为PNJ外延设计提供了充分发挥PNJ-HEMTs可靠性的指导。
• 作者发现，在高掺杂的n-GaN层中，埋藏的E峰对热载流子轰击和电场应力更具抗性，有助于提高栅极可靠性。
• 作者进行了时间依赖性栅极击穿（TDGB）测试，评估了SJ和PNJ栅极的可靠性，并使用幂律模型预测了TDGB寿命。

文章的研究方法

该文章的研究方法包括：

• 制备具有不同有效n-GaN掺杂浓度的PNJ-HEMTs。
• 对具有不同有效n-GaN掺杂浓度的PNJ-HEMTs进行比较研究，揭示ND对栅极可靠性的影响。
• 分析ND对栅极可靠性影响的基本机制。
• 进行时间依赖性栅极击穿（TDGB）测试，评估SJ和PNJ栅极的可靠性。
• 使用幂律模型预测TDGB寿命。
• 总结具有不同N_D的SJ和PNJ-HEMTs的估计最大适用V_Gmax。

文章的结论

该论文的结论是，有效的n-GaN掺杂浓度（N_D）对PNJ-HEMTs的栅极可靠性有着显著影响。作者发现，N_D较低时，栅极泄漏电流减小，正向栅极击穿电压提高至18.6伏特。然而，当N_D降低至1×10¹⁷ cm^-3时，由于完全耗尽的n-GaN表面的电场拥挤引起的过早击穿现象，10年寿命的最大适用栅极电压将不会继续增加。为了充分发挥PNJ-HEMTs的可靠性，作者建议PNJ-HEMTs的N_D应当经过精心设计，以适当扩大p-n结中的耗尽区域，同时应避免由电场拥挤引起的过早击穿现象。