Si?N?/SiN?堆叠结构对p-GaN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中H等离子体注入的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：The effect of Si 3N 4/SiN X stacked structure for H plasma implantation in p-GaN/AlGaN/GaN high electron mobility transistors

氢等离子体处理优化了SiN_x阻挡层与Si3N4 passivation层协同作用下p-GaN门增强HEMT的性能，实现 gate reverse leakage电流降低1个数量级，静态导通电阻8.3Ω·mm，断态击穿电压689V，动态电阻仅增加7%，验证了2D-VRH泄漏机制及缺陷激活能提升机理。

　　

邢艳辉|尚杰|韩志硕|于国豪|黄行杰|张宝顺|曾忠明

教育部光电子技术重点实验室，北京工业大学微电子学院，北京100124，中国

摘要

本研究深入探讨了氢等离子体处理对p-GaN栅增强型高电子迁移率晶体管（HEMTs）性能的影响，分别考察了在氮化硅（SiN_x）钝化处理前后的效果。实验结果表明，经过Si₃N₄钝化和SiN_x薄膜阻挡层处理后，HEMTs的电学性能得到了显著提升。具体表现如下：当栅极电压V_G = ?6 V时，栅极反向漏电流低至9.8 × 10^?7 mA/mm；在V_G = 8V和漏极电压V_D = 1V的条件下，静态导通电阻R_ON为8.3 Ω·mm；关断状态下的击穿电压高达689 V；在脉冲测量中，动态导通电阻仅比静态导通电阻高7%。进一步分析证实，该器件的栅极漏电流机制为二维变程跳跃（2D-VRH），栅极漏电流减少的原因在于缺陷能级的活化能增加。

引言

近年来，高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其优异的电学特性，在高频、高温和高功率应用领域展现出巨大潜力。尤其是在高频条件下，它们仍能保持良好的电流-电压（I-V）特性和高输出功率，因此被认为在未来的功率开关领域具有广泛的应用前景[[1], [2], [3]]。传统的AlGaN/GaN HEMT属于常开型器件，这是因为在AlGaN/GaN异质结界面形成了高密度的二维电子气（2DEG）。在GaN集成电路中，常开型器件由于开启电压低、开启过程中存在过冲或功率失控问题，需要复杂的栅极驱动控制和保护电路；相比之下，常关型器件因栅极驱动电路简单而应用更为广泛。目前，商业化增强模式HEMT的主要方法是采用p-GaN栅极[4]和 recessed 栅极[5]。为了避免传统的p-GaN层干法刻蚀影响二维电子气密度（从而降低器件饱和电流），郝等人[6]利用H等离子体使p-GaN材料具有高电阻，制备了高电阻率帽层高电子迁移率晶体管（HRCL-HEMT）器件。徐等人[7]发现HRCL-HEMT的反向漏电流机制为二维变程跳跃模型。黄等人[8]在p-GaN层表面沉积SiN_x薄膜作为阻挡层，有效减少了H离子注入造成的损伤，使栅极漏电流降低了四个数量级，并使关断状态下的击穿电压提高了89%。

SiN_x薄膜具有高介电常数、高介电强度和低漏电流的优点，因此被广泛用于微电子领域的钝化层、隔离层和电容介质[9]。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法生长的SiN_x薄膜在半导体器件、集成电路、芯片钝化层及多层互连间的介电薄膜开发中备受青睐。研究还表明，适当的介电钝化可以减轻电流崩溃效应并提高关断状态下的击穿电压[10]。已有报道指出，沉积SiN_x钝化层可提升AlGaN/GaN HEMT的输出功率和击穿电压[[11], [12], [13]]。

本文同时使用了SiN_x薄膜阻挡层和Si₃N₄钝化层来研究这两种材料对HEMT器件性能的影响，并设置了仅采用Si₃N₄钝化层的对比样品。在不同栅极电压下测量了器件的转移特性、输出特性和关断状态下的击穿特性。结果表明，具有SiN_x薄膜阻挡层和Si₃N₄钝化层的器件具有低导通电阻和高关断状态击穿电压。此外，在298 K至498 K的温度范围内验证了该器件的栅极反向漏电流机制为二维变程跳跃（2D-VRH），并明确了栅极反向漏电流与缺陷活化能之间的关系。在脉冲测量条件下，具有SiN_x薄膜阻挡层和Si₃N₄钝化层的器件的动态导通电阻仅比静态测量值高7%，证明该器件具有较低的电流崩溃效应。

实验部分

实验方法

在外延结构生长方面，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在2英寸p型Si（111）衬底（厚度430 μm）上依次生长了GaN/AlN/AlGaN/p-GaN（4.35μm/1nm/18nm/70 nm）结构。AlGaN势垒层的Al组成比例为0.2，p-GaN帽层掺杂了浓度为2 × 10¹⁹ cm^?3的Mg离子。随后进行了台面隔离和电极制备。

结果与分析

图2展示了两种器件的转移特性和输出特性。测量过程中，源极接地，漏极电压为10 V，栅极电压从?6 V逐渐增加到10 V。如图2(a)所示，器件X的栅极反向漏电流为8.6 × 10^?6 mA/mm，器件Y的栅极反向漏电流为9.8 × 10^?7 mA/mm，与器件X相比，器件Y的栅极反向漏电流降低了一个数量级。

结论

本研究通过在不同p-GaN栅增强型HEMTs上沉积SiN_x薄膜作为阻挡层和Si₃N₄薄膜作为钝化层，并结合氢等离子体处理，对器件性能进行了对比研究。总体而言，我们的器件具有低导通电阻（8.3 Ω·mm @ (V_G = 8 V, V_D = 1 V)和高关断状态击穿电压（689 V），且电流崩溃效应较弱。这得益于Si₃N₄钝化层与SiN_x阻挡层之间的界面态作用。

作者贡献声明

邢艳辉：负责监督和资金申请。尚杰：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化及验证。韩志硕：负责初稿撰写、数据验证和形式化分析。于国豪：负责监督、项目管理和方法设计、形式化分析。黄行杰：负责数据验证、资源协调和项目管理。张宝顺：负责数据验证和资源协调。曾忠明：负责数据验证和资源协调。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：60908012、61775007、62074011、62134008）、国家重点研发计划（项目编号：2018YFA0209000）以及北京市自然科学基金（项目编号：4172011）的支持。作者感谢中国科学院苏州纳米技术与纳米生物研究所的纳米制造设施和纳米器件与应用实验室，以及激光技术与光电子重点实验室的支持。