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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

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摘要

在这项研究中,对具有不同有效n-GaN掺杂浓度(ND)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ND对栅极可靠性的影响。随着ND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ND,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ND的SJ和PNJ-HEMTs的估计最大适用VGmax

文章的结论

该论文的结论是,有效的n-GaN掺杂浓度(ND)对PNJ-HEMTs的栅极可靠性有着显著影响。作者发现,ND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ND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ND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。