【氮化镓】一种新型的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN异质结场效应晶体管

文章由韩国首尔弘益大学电子与电气工程学院的Dong-Guk Kim等人撰写，题为“P-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistor with a threshold voltage of 6 V”，发表在IEEE Electron Device Letters上。文章提出了一种新型的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET），并详细描述了其结构、制造过程、测量结果和分析，最后总结了该结构的潜力和优势。

I. 引言 (Introduction)

文章首先介绍了硅（Si）材料的局限性，以及对宽带隙半导体材料如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的日益增长的兴趣。GaN因其高击穿场和高电子迁移率而成为高功率和高频设备应用的热门选择。商业化的增强型GaN功率器件通常使用p-GaN/AlGaN/GaN异质结构。文章指出，为了精确控制蚀刻深度，需要去除栅极区域外的p-GaN层，以避免对下面的AlGaN层造成损伤。

II. 器件结构和制造 (Device Structure and Fabrication)

文章详细描述了所提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN异质结构的外延结构，包括各层的厚度和生长在硅（111）衬底上的过程。通过光刻技术定义了p-GaN栅极区域，并使用选择性蚀刻工艺去除了栅极区域外的p-GaN层。为了去除p-AlGaN层的损伤表面，采用了原子层刻蚀（ALE）工艺。文章还描述了沉积PECVD SiO2钝化膜、蚀刻欧姆接触区域、形成欧姆接触和栅极接触的步骤。

外延结构 (Epitaxial Structure)

作者提出的外延结构包括以下几个关键层，它们是按照在硅（111）衬底上生长的顺序排列的：

1. 85 nm p-GaN层：这是作为栅极区域的顶层。
2. 6 nm p-Al0.2Ga0.8N层：这是一个插入层，用于在p-GaN和AlGaN之间作为蚀刻停止层。
3. 8 nm Al0.2Ga0.8N势垒层：这个薄层作为电子阻挡层，有助于形成二维电子气（2DEG）。
4. 200 nm GaN通道层：这是器件的通道区域，承载电流流动。
5. 5.2 μm 缓冲层：这是生长在硅衬底上的最底层，有助于平滑衬底并为上部结构提供合适的晶体取向。

掺杂浓度 (Doping Concentrations)

通过二次离子质谱（SIMS）测量，作者发现p-GaN和p-AlGaN区域的镁（Mg）掺杂浓度分别约为2×10^19 cm^-3和1×10^19 cm^-3。掺杂分布不尖锐，这可能是由于外延生长过程中的扩散效应。

制造过程 (Fabrication Process)

制造过程涉及以下步骤：

1. 光刻定义：首先，通过光刻技术定义p-GaN栅极区域，以去除栅极区域外的p-GaN层。

2. 选择性蚀刻：使用BCl3/SF6气体混合物进行选择性蚀刻，以去除p-GaN层。蚀刻条件包括ICP功率400W、偏置RF功率25W、室压30 mTorr和加热器温度60°C。GaN和AlGaN之间的选择性比例为21:1，GaN的蚀刻速率为5.2 nm/min。

3. 原子层刻蚀 (ALE)：为了去除p-AlGaN层的损伤表面，进行了ALE处理。ALE过程包括O2和BCl3等离子体步骤，每个周期包括60秒的O2等离子体步骤和45秒的BCl3等离子体步骤。ALE的蚀刻速率为0.6 nm/周期。

4. 钝化膜沉积：在ALE处理后，沉积了100 nm的PECVD SiO2钝化膜。

5. 欧姆接触蚀刻：使用基于SF6的ICP-RIE蚀刻欧姆接触区域，然后使用基于BCl3/Cl2的ICP-RIE蚀刻暴露的p-AlGaN/AlGaN/GaN层至17 nm深，以建立欧姆金属与2DEG通道之间的直接接触。

6. 欧姆接触形成：使用Ti/Al/TiN金属堆叠形成欧姆接触，并在N2气氛中550°C退火30秒。

7. 栅极接触图案化：图案化栅极接触区域，使用相同的过程蚀刻SiO2钝化膜，并沉积TiN/Ti金属堆叠作为栅极电极。

8. 后金属化退火：通过快速热退火在N2气氛中400°C进行10分钟的后金属化退火。

9. 器件尺寸：源到栅的距离、p-GaN栅长和栅到漏的距离分别为3、4和12 μm。

III. 测量结果和分析 (Measurement Result and Analysis)

文章展示了使用Keysight B1505A系统测量的器件电气特性。通过1.2 nm深的ALE处理后，漏极电流水平有所增加，而进一步刻蚀至3.6 nm深时，电流水平下降。文章指出，器件展示了异常高的阈值电压6 V，这是迄今为止使用p-GaN门控HFET结构所获得的最高阈值电压。此外，所有样品展示了约1000 V的击穿电压。文章还讨论了阈值电压和导通电阻之间的权衡关系，并提供了不同ALE处理深度下的特定导通电阻值。

电气特性测量

作者使用了Keysight B1505A系统来测量器件的电气特性，包括转移特性、输出特性和击穿特性。

转移特性 (Transfer Characteristics)

• 图3(a) 展示了线性和图3(b) 对数刻度下的转移电流-电压（I-V）特性。这些特性图显示了在不同栅极电压下，从漏极到源极的电流（漏极电流）如何变化。
• 在1.2 nm深的原子层刻蚀（ALE）后，与未进行ALE处理的器件相比，漏极电流水平有所增加。这表明ALE处理有助于修复选择性蚀刻过程中可能产生的表面损伤，从而改善了器件的电流承载能力。
• 然而，当ALE进一步刻蚀至3.6 nm深时，漏极电流水平有所下降。这是因为剩余的薄p-AlGaN/AlGaN势垒层限制了极化诱导的2DEG通道形成。

阈值电压 (Threshold Voltage)

• 器件展示出了异常高的阈值电压6 V，这是在漏极电流密度为1 mA/mm时定义的。据作者所知，这是使用p-GaN门控HFET结构所获得的最高阈值电压。高阈值电压归因于p-AlGaN层中的额外p掺杂区域以及更薄的AlGaN势垒层。

亚阈值斜率 (Subthreshold Slope)

• 不同设备的亚阈值斜率略有不同，分别为：
  • 未进行ALE的器件：220 mV/dec
  • 1.2 nm深ALE的器件：204 mV/dec
  • 3.6 nm深ALE的器件：214 mV/dec
• 这些值表明，ALE处理可以优化器件的开关特性。

击穿特性 (Breakdown Characteristics)

• 所有样品展示了大约1000 V的击穿电压，这是在漏极电流密度为1 μA/mm时测量的。击穿特性对于评估器件的最大承受电压至关重要。

阈值电压与导通电阻的权衡

• 文章讨论了阈值电压和导通电阻之间的权衡关系。p掺杂的AlGaN层可能会减少2DEG通道密度，但文章指出，由于p-AlGaN层很薄，表面钉扎效应主要决定了2DEG密度，这与没有p掺杂的AlGaN层的情况几乎相同。

导通电阻 (On-Resistance)

• 设备的特定导通电阻值（在特定的漏极电流密度下的导通电阻）对于评估器件的功率效率非常重要。文章给出了不同ALE处理深度下的特定导通电阻值：
  • 未进行ALE：9.5 mΩ·cm²
  • 1.2 nm ALE：7.47 mΩ·cm²
  • 3.6 nm ALE：9.25 mΩ·cm²
• 这些值在考虑到6 V的高阈值电压时显得尤为令人印象深刻。

TCAD模拟 (TCAD Simulation)

• 文章还展示了使用TCAD Silvaco Atlas对传统p-GaN/AlGaN/GaN结构和提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN结构进行的模拟结果。模拟显示，提出的结构在阈值电压上有显著提升，从3 V提高到6 V。

阈值电压不稳定性测试 (Threshold Voltage Instability Test)

• 文章进行了阈值电压不稳定性测试，以评估器件在动态条件下的性能。测试结果表明，所有三种设备在栅极应力电压超过阈值电压时，阈值电压偏移逐渐增加。例如，在9 V的栅极应力电压下，观察到负向偏移600 mV，这一结果优于之前报道的p-GaN/AlGaN/GaN设备。

分析总结

文章的“Measurement Result and Analysis”部分提供了深入的分析，展示了新型HFET在电气特性上的显著优势，尤其是在阈值电压和导通电阻方面。通过实验测量和TCAD模拟，作者证明了所提出的结构设计能够有效地提高阈值电压，同时保持较低的导通电阻。此外，阈值电压不稳定性测试结果表明，新型HFET在动态条件下具有良好的稳定性，这对于提高器件的可靠性和安全性至关重要。这些结果共同支持了文章的结论，即所提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN HFET结构对于提升增强型GaN HFET的性能具有重要的实际意义。

IV. 结论 (Conclusion)

文章总结了提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN异质结构对于增强型GaN HFET的有效性。该结构不仅有效减轻了选择性蚀刻过程中引起的等离子体诱导的表面损伤，而且还实现了显著的高阈值电压。制造的设备展示了6 V的阈值电压，远高于传统的p-GaN/AlGaN/GaN HFETs。文章强调，这种高阈值电压可以提高开关操作期间的安全性，并且对于提高增强型GaN HFET的可靠性具有潜力。

图1: 横截面TEM图像和SIMS测量的Mg和Al掺杂浓度分布

• 图1(a) 展示了所提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN异质结构的横截面透射电子显微镜（TEM）图像。这个图像直观地展示了不同层的厚度和结构，为理解器件的物理特性提供了直观的视觉信息。
• 图1(b) 通过二次离子质谱（SIMS）测量展示了p-GaN和p-AlGaN区域的Mg掺杂浓度。从图中可以看出，Mg和Al的掺杂分布并不是突变的，这可能是由于外延生长过程中的扩散效应。了解掺杂分布对于理解器件的电学特性至关重要。

图2: ALE处理前后的截面示意图

• 图2(a) 展示了没有进行原子层刻蚀（ALE）的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN HFET的截面示意图。
• 图2(b) 展示了在p-GaN选择性蚀刻后进行了1.2 nm或3.6 nm深ALE处理的HFET的截面示意图。这些图表说明了ALE处理对器件结构的影响，尤其是在去除表面损伤和控制刻蚀深度方面的重要作用。

图3: 电气特性图

• 图3(a) 展示了线性和图3(b) 对数转移电流-电压特性。这些特性图展示了器件在不同阈值电压下的电流响应，其中6 V的异常高阈值电压特别引人注目。
• 图3(c) 展示了输出电流-电压特性，进一步证实了器件的高性能。
• 图3(d) 展示了典型的击穿特性，显示所有样品在1 μA/mm的漏极电流密度下展示了约1000 V的击穿电压。

图4: TCAD Silvaco Atlas模拟结果

• 图4(a) 展示了传统p-GaN/AlGaN/GaN和提出的p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN结构的线性和对数转移电流-电压特性模拟结果。模拟显示了新型结构在阈值电压上的显著提升。
• 图4(b) 展示了两种结构的亚阈值斜率，对于评估器件的开关特性非常重要。
• 图4(c) 和 图4(d) 展示了两种结构在不同栅极电压下的导带轮廓模拟结果。这些结果有助于理解阈值电压提高的物理机制。

图5: 阈值电压不稳定性测试结果

• 图5(a) 展示了p-GaN/p-AlGaN/AlGaN/GaN器件作为栅极应力电压函数的动态转移特性。
• 图5(b) 展示了阈值电压偏移与栅极应力电压的关系。这些测试结果表明，所提出的结构在动态条件下具有优异的阈值电压稳定性。