HEMT AlGaN/GaN à 803 V de claquage : passivation SiNx dopée fluor pour faible résistance dynamique ON

Résumé

Nous introduisons un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN/GaN atteignant une tension de claquage (BV) de 803 V et une augmentation modeste de 23 % de la résistance dynamique ON (R_ON,D) comparé à un dispositif conventionnel. L'innovation clé est l'implantation d'ions fluor dans la couche de passivation Si₃N₄ épaisse située entre grille et drain. Contrairement à l'implantation fluor dans la fine barrière AlGaN, cette configuration place le pic d'ions et la distribution de lacunes loin du gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG), supprimant ainsi la dégradation statique et dynamique pulsée. De plus, le fluor implanté étend la région de déplétion et augmente le champ électrique moyen (champ E) à travers le canal grille‑drain, ce qui sous‑tend le BV amélioré.

Contexte

Les HEMTs AlGaN/GaN basés GaN sont la technologie de première ligne pour applications haute puissance, haute fréquence et faibles pertes, grâce à leur champ de claquage critique élevé et mobilité électronique exceptionnelle. Pourtant, les tensions de claquage maximales rapportées restent bien en dessous des limites théoriques, rendant impératif de pousser le BV plus loin sans agrandir les dimensions du dispositif. Plusieurs stratégies de terminaison — plaques de champ, implantation d'ions fluor, terminaison grille‑drain encastrée — ont été explorées pour augmenter le BV. L'implantation fluor dans la fine barrière AlGaN (FBL) offre un processus simple et capacitive parasite minimale, mais la proximité du pic fluor et de la distribution de lacunes au 2DEG peut dégrader la performance statique et dynamique. Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement que l'implantation fluor dans la couche de passivation Si₃N₄ épaisse (FPL) préserve l'intégrité du 2DEG tout en optimisant simultanément la distribution du champ E de surface. Le HEMT résultant exhibe des caractéristiques statiques et dynamiques supérieures.

Méthodes de fabrication

La Figure 1 illustre la disposition tridimensionnelle des HEMTs FPL, FBL et conventionnels (Conv.). Tous les dispositifs partagent des dimensions de grille identiques : longueur grille L_G = 2,5 µm, espacement grille‑source L_GS = 1,5 µm, espacement grille‑drain L_GD = 10 µm. La pile épitaxiale, cultivée sur substrat Si (111) 6 pouces par dépôt chimique en phase vapeur métallorganique (MOCVD), consiste en une cape GaN 2 nm, barrière Al₀,₂₅Ga₀,₇₅N 23 nm, intercouche AlN 1 nm, canal GaN 150 nm, et tampon GaN 3,5 µm. Les mesures Hall donnaient densité 2DEG 9,5×10¹² cm⁻² et mobilité 1500 cm²/V·s.

La fabrication débutait par isolation mesa via gravure ICP Cl₂/BCl₃ haute puissance. Une couche Si₃N₄ LPCVD 40 nm était déposée à 780 °C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm), atteignant 3,7 nm/min. L'ellipsométrie mesurait indice réfraction 1,978 et rapport N/Si 1,31 ; HR‑TEM confirmait la cristallinité amorphe (inset, Fig. 1a).

Les fenêtres source et drain étaient ouvertes par gravure sèche SF₆, suivies du dépôt Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) et recuit rapide à 890 °C pendant 30 s sous N₂. La résistance de contact résultante était 1 Ω·mm et résistance de feuille 400 Ω/□.

L'électrode grille était définie par lift‑off Ni/Au (50/150 nm). Une fenêtre d'implantation fluor 3 µm était structurée avec résist AZ5214, et les ions implantés à 10 keV avec dose 1×10¹² cm⁻² utilisant un implanteur SEN NV‑GSD‑HE. Un recuit final à 400 °C pendant 15 min sous N₂ complétait le processus.

Schéma tridimensionnel de a HEMT FPL (inset: micrographie HR‑TEM de Si₃N₄ LPCVD), b HEMT FBL, et c HEMT Conv.

Résultats et discussion

La Figure 2 présente le profil SIMS (spectrométrie de masse d'ions secondaires) du fluor et la distribution de lacunes simulée par TRIM pour dispositifs FPL (a) et FBL (b). Bien que la concentration pic de fluor et la profondeur soient similaires dans les deux cas, la distribution de lacunes dans le dispositif FBL s'étend dans le canal 2DEG, tandis que dans le dispositif FPL elle reste confinée dans la couche Si₃N₄, loin du canal. Comme les lacunes près du 2DEG peuvent piéger les porteurs, l'approche FPL réduit dramatiquement la dégradation statique et dynamique.

Profil SIMS mesuré de concentration ion fluor et concentration lacunes simulée par TRIM le long des lignes de coupe. a A‑A′. b B‑B′

La Figure 3 montre les courbes I‑V de transfert et sortie. Comparé au HEMT Conv., les dispositifs FPL et FBL exhibent une légère augmentation de la résistance ON statique due à la déplétion 2DEG et mobilité réduite (mobilités post‑implantation : 228 cm²/V·s pour FPL, 203 cm²/V·s pour FBL). À bas biais drain (V_DS < 3 V), la résistance ON des dispositifs FPL et FBL est presque identique. Cependant, pour V_DS > 3 V, le dispositif FBL souffre d'effondrement du courant de drain en saturation car son profil de lacunes atteint le canal 2DEG, tandis que le dispositif FPL maintient un courant de drain stable.

Mesurées a caractéristiques I‑V de transfert, et b caractéristiques de sortie DC pour trois HEMTs

La Figure 4 démontre les caractéristiques I‑V hors tension et les distributions de champ E de surface simulées. Les BV mesurés sont 803 V (FPL), 746 V (FBL) et 680 V (Conv.). L'implantation fluor entre grille et drain abaisse le pic de champ E au bord de grille et introduit un nouveau pic au bord de la région d'implantation, donnant un champ plus uniforme et un BV plus élevé. Le dispositif FBL bénéficie d'une modulation de champ plus forte mais souffre de dommages additionnels à la barrière, menant à un BV légèrement inférieur comparé au FPL.

a Caractéristiques I‑V hors tension mesurées avec tension grille –4 V, substrat flottant. b Distributions de champ E de surface simulées à V_DS = 150 V

Des mesures I‑V pulsées étaient conduites pour évaluer la résistance dynamique ON (R_ON,D) sous commutation lente (largeur impulsion 3 ms, période 5 ms). La Figure 5 compare la sortie pulsée sous biais zéro et contrainte drain 100 V. Le HEMT Conv. montre seulement 12,3 % hausse de R_ON,D, tandis que le dispositif FBL voit son R_ON,D presque doubler (augmentation 98 %). En contraste, le dispositif FPL exhibe seulement 23 % d'augmentation, démontrant que la distribution de lacunes confinée à la couche de passivation supprime efficacement le piégeage de charge.

a Schéma d'application tension contrainte pour mesures I‑V pulsées. Caractéristiques I‑V pulsées de HEMT FPL (b), FBL (c), et Conv. (d) (V_GS = –4 V à 0 V; pas 0,5 V)

Ratio R_ON,D/R_ON versus biais drain quiescent. Largeur impulsion 3 ms, période 5 ms

Conclusions

Nous avons démontré un HEMT AlGaN/GaN haute performance atteignant 803 V tension de claquage tout en maintenant une résistance dynamique ON seulement 1,23 fois sa valeur statique après impulsion de contrainte drain 100 V. L'implantation fluor dans la couche de passivation Si₃N₄ épaisse préserve l'intégrité du 2DEG, supprime le piégeage de charge et optimise le champ électrique de surface, permettant une augmentation substantielle du BV de 680 V (conventionnel) à 803 V.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans l'article publié.

Abréviations

2DEG

Gaz d'électrons bidimensionnel

HEMT

Transistor à haute mobilité électronique

ICP

Plasma à couplage inductif

LPCVD

Dépôt chimique en phase vapeur à basse pression

MOCVD

Dépôt chimique en phase vapeur métallorganique

SIMS

Spectrométrie de masse d'ions secondaires

TEM

Microscope électronique en transmission