碳掺杂的非化学计量纳米晶CoCrFeMnNi高熵合金的分离、沉淀及相分解行为

《Materials Advances》：Segregation, precipitation, and phase decomposition behavior of a carbon-doped non-equiatomic nanocrystalline CoCrFeMnNi high entropy alloy

8英寸CMOS BEOL兼容工艺下超临界流体处理优化GaN HEMT射频性能，显著提升最大导通电流21%、亚阈值摆幅改善59%、导通电阻降低40%，并实现60/101GHz截止频率与跨导，TCAD模拟揭示电子捕获机制与界面陷阱抑制效应。

　　

涂博松|陈欣珠|周圣尧|陈胜凯|陈彦杰|林成贤|叶博淳|翟振寅|张廷昌|李博松|郭浩忠

摘要

本研究展示了一种采用8英寸CMOS后端工艺（BEOL）制造的大面积、高性能射频T栅极GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）。这种兼容性使得基于GaN的射频组件能够高效地与CMOS电路集成，从而提升了下一代先进电子和封装应用的整体功能。为了改善射频器件的直流和射频性能，采用了超临界流体氮（SCFN）处理技术，并在250°C下处理30分钟，有效减少了AlGaN表面和AlGaN/GaN界面上的陷阱态。在优化条件下，经过SCFN处理的器件最大漏极电流（I_DSon,max）提高了21%，最大跨导（g_m,max）提高了13%，亚阈值摆幅（SS）降低了59%，导通电阻（R_on）降低了40%。此外，该器件的漏极诱导势垒降低（DIBL）仅为92 mV/V，而未经处理的器件为175 mV/V。射频性能也得到了显著提升，SCFN处理后的器件在0.18 μm的T栅极长度下实现了f_T/f_max值为60/101 GHz，优于未经处理的器件（49/72 GHz）。为进一步阐明这些改进机制，进行了TCAD（传输矩阵分析）模拟，以分析漂移区（栅极-漏极接触区）中的电子陷阱及其对二维电子气（2DEG）能带弯曲和部分耗尽的影响。这些结果为理解性能提升的机制提供了全面的认识。

引言

随着5G通信、卫星通信和雷达系统需求的增长，GaN HEMT的应用范围不断扩大，这类器件非常适合高频和高功率应用。在8英寸等大规模硅片上生长的GaN相比4-6英寸硅片和SiC衬底具有成本优势，同时仍能与硅半导体技术保持高度兼容[[1], [2], [3], [4], [5]]。使用CMOS BEOL兼容工艺在8英寸硅衬底上制造GaN器件需要大量的干法刻蚀。然而，等离子体刻蚀可能会损坏GaN键合，导致器件性能下降，包括输出性能和热稳定性受损，从而影响高频操作[6,7]。为解决这一问题，开发低损伤的等离子体刻蚀工艺或采用有效的后处理技术来减轻表面悬挂键并保持GaN层的完整性至关重要[8]。已有多种方法用于改善表面、界面和材料缺陷，包括热退火[9]以及使用N₂、N₂O和NH₃的等离子体处理[[10], [11], [12]]。但这些工艺所需的高温会引入新的挑战，如杂质扩散、非故意的材料结晶以及由热应力引起的内部缺陷。在先前的研究中，超临界流体处理被提出作为一种有效的低温钝化技术，用于提升各种电子器件的性能[13]。超临界流体（SCF）介于液态和气态之间，具有高溶解度、低粘度和强渗透能力，这些特性使其成为将反应物种输送到材料中的高效载体，从而实现界面缺陷的有效钝化。与热退火或等离子体处理等传统方法不同，SCF处理在低温下进行，且对材料的损伤较小。基于SCF的处理，特别是涉及超临界CO₂与NH₄OH（SCFN）或O₂（SCFO）等添加剂的处理，在提升基于GaN的器件性能方面展现出巨大潜力。据M. Liu等人报道，SCFN处理能有效消除SiN/AlGaN界面处的陷阱，从而改善器件性能[14]。P. Y. Wu等人进一步表明，SCFN处理后的退火可以抑制不必要的GaN表面氧化和Ga–H键的形成，从而提高性能和可靠性[15]。同样，S. Y. Chou等人证明SCFO处理可以改善p-GaN HEMT的性能，同时不影响Mg掺杂水平[16]。尽管取得了这些有希望的结果，但之前的研究尚未系统地探讨SCF工艺参数的影响或确定优化的处理条件。此外，SCF处理对8英寸射频GaN HEMT晶片的电性能和射频性能的影响尚未得到全面研究。

在这项研究中，成功建立了一种适用于大面积8英寸CMOS BEOL工艺的射频T栅极GaN HEMT制造方法，证明了SCFN处理可以有效修复受损的GaN键合和AlGaN/GaN界面，从而改善器件的直流特性、小信号性能和电流塌陷现象[[17], [18], [19]]。通过优化工艺温度和处理时间，确定了最佳条件为250°C处理30分钟，在此条件下栅极-通孔区域的界面陷阱得到有效钝化，I_DS显著提高，且未引起高温降解。这些改进对于满足下一代通信和电子系统的严格性能要求至关重要，使得器件在高频和高功率应用中表现出更好的性能。

实验与制备

实验与制备

AlGaN/GaN HEMT外延结构是在8英寸高电阻率硅（111）晶片上使用Aixtron G5+ MOCVD设备生长的。外延层包括1.3 μm厚的掺C的GaN缓冲层、50 nm厚的Al_0.08Ga_0.92N背势垒、250 nm厚的GaN通道、0.7 nm厚的AlN间隔层以及16 nm厚的Al_0.24Ga_0.76N势垒，顶部覆盖2 nm厚的GaN层。室温下的霍尔测量结果显示，2DEG的载流子密度为1 × 10¹³ cm^?2，电子迁移率为2050 cm²/V·s，片状电阻为

结果与讨论

对于SCFN处理，仅进行了栅极通孔刻蚀的T栅极GaN HEMT半成品被放置在含有25%氨水溶液的高压腔室中。本研究中使用的氨水溶液浓度为25–28 wt% NH₃（CAS编号1336-21-6），为试剂级质量，未经进一步纯化直接使用。腔室在不同实验条件下分别加热至180°C、250°C和350°C，加热速率为3.33°C min^?1₂

总结

总之，本研究表明，SCFN处理在提升采用8英寸CMOS BEOL工艺制造的大面积射频T栅极GaN HEMT的性能方面非常有效。将SCFN处理条件优化为250°C处理30分钟后，I_DSon,max提高了21%，亚阈值摆幅（SS）降低了59%，导通电阻（R_on）降低了40%。此外，射频性能也得到提升，T栅极长度为0.18 μm时，f_T/f_max值从49/72 GHz提高到了60/101 GHz。TCAD模拟结果

CRediT作者贡献声明

涂博松：撰写——初稿、方法论、数据分析。陈欣珠：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、研究、资金获取、数据分析。周圣尧：验证、方法论、数据分析、概念构思。陈胜凯：方法论、数据分析、概念构思。陈彦杰：软件开发、研究、数据分析。林成贤：验证、方法论、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢工业技术研究院（ITRI）的电子与光电系统研究实验室在B5G/6G无线通信高功率毫米波组件和模块技术方面的支持，以及台湾国家科学技术委员会（NSTC）在合同NSTC 113-2221-E-110-053、NSTC 113-2622-E-A49-030、NSTC 113-2124-M-110-003、NSTC 113-2223-E-110-003、NSTC 113-2640-E-110-004等项目中的支持。