BCl3 /Ar原子层刻蚀技术在AlGaN/GaN HEMTs中的低损伤特性多维验证及性能优化研究

为解决传统等离子体刻蚀技术导致的界面损伤和性能退化问题，研究人员采用BCl3 /Ar原子层刻蚀（ALE）技术制备凹槽栅AlGaN/GaN HEMTs。通过多维表征证实ALE可将表面粗糙度（RMS）降至0.182 nm，峰值跨导提升35.13%，栅极漏电流降低三个数量级，为高性能氮化镓器件提供了低损伤刻蚀新方案。

　　

在5G通信和高压功率转换领域，氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs）因其高击穿场强和二维电子气密度（~1×10¹³
cm^?2
）成为核心器件。然而，传统凹槽栅刻蚀技术面临纳米级精度与低损伤难以兼得的困境：反应离子刻蚀（RIE）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀会引发表面缺陷，导致阈值电压（V_TH
）漂移、载流子迁移率骤降等问题。现有湿法刻蚀或中性束刻蚀（NBE）虽能缓解损伤，但存在各向同性刻蚀扩散或设备成本高昂的缺陷。

西安电子科技大学的研究团队创新性地采用BCl₃
/Ar原子层刻蚀（ALE）技术，通过自限性表面反应实现了原子级精度的低损伤刻蚀。研究通过对比未刻蚀、ICP刻蚀和ALE处理的AlGaN/GaN HEMTs，发现ALE将表面均方根粗糙度（RMS）从0.210 nm优化至0.182 nm，远低于ICP刻蚀的0.481 nm。电学性能方面，ALE器件的峰值跨导（g_m
）达170.4 mS/mm，较未刻蚀样品提升35.13%，而ICP刻蚀导致性能下降14.96%。更显著的是，ALE将栅极漏电流降低三个数量级。

关键技术包括：金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长、BCl₃
/Ar ALE工艺优化、原子力显微镜（AFM）形貌分析、TCAD缺陷仿真及载流子输运模型构建。

结果与讨论

1. 表面形貌：AFM显示ALE处理后的表面粗糙度接近未刻蚀样品，而ICP刻蚀引发显著粗糙化，证实ALE对刻蚀损伤的抑制能力。
2. 电学特性：ALE器件展现最优跨导和最低栅漏电流，TCAD仿真揭示ICP刻蚀会在AlGaN界面产生高密度缺陷，引发Frenkel-Poole发射。
3. 载流子输运：未刻蚀和ALE器件主导散射机制为光学声子散射，迁移率分别为1415.3 cm²
   /V·s和1450.5 cm²
   /V·s；ICP刻蚀则因远程电荷散射（REM）使迁移率暴跌至410.1 cm²
   /V·s。

结论
该研究证实BCl₃
/Ar ALE技术在形貌控制、电学性能、缺陷抑制和迁移率优化方面具有全面优势，为高精度氮化镓器件制造提供了理论支撑和工艺范式。其原子级刻蚀精度与低损伤特性的结合，解决了传统刻蚀技术难以兼顾纳米级均匀性与界面完整性的行业难题，对推进5G和功率电子器件发展具有重要意义。