HEMTs AlGaN/GaN con ruptura de 803 V: pasivación con SiNx dopado con flúor produce baja resistencia ON dinámica

Resumen

Presentamos transistor alta movilidad electrones (HEMT) AlGaN/GaN que alcanza voltaje ruptura 803 V y modesto aumento 23% resistencia ON dinámica (R_ON,D) comparado dispositivo convencional. Innovación clave es implante iones flúor dentro capa pasivación Si₃N₄ gruesa ubicada entre compuerta y drenaje. A diferencia implante flúor en barrera AlGaN delgada, esta configuración coloca pico iones y distribución vacancias lejos gas electrones bidimensional (2DEG), suprimiendo tanto degradación DC como pulsada-dinámica. Adicionalmente, flúor implantado extiende región agotamiento y eleva campo eléctrico promedio (E-campo) a través canal compuerta-drenaje, sustentando BV mejorado.

Antecedentes

HEMTs AlGaN/GaN base GaN son tecnología primera línea para aplicaciones alta potencia, alta frecuencia, bajas pérdidas, gracias a alto campo ruptura crítico y movilidad electrónica excepcional. Sin embargo, voltajes ruptura máximos reportados permanecen bien por debajo límites teóricos, imperativo impulsar BV sin agrandar dimensiones dispositivo. Varias estrategias terminación —placas campo, implante iones flúor, terminación borde compuerta recesado— exploradas para elevar BV. Implante flúor barrera AlGaN delgada (FBL) ofrece proceso simple y capacitancia parásita mínima, pero proximidad pico flúor y distribución vacancias al 2DEG puede degradar rendimiento estático y dinámico. En este trabajo, demostramos experimentalmente implante flúor en capa pasivación Si₃N₄ gruesa (FPL) preserva integridad 2DEG mientras optimiza distribución E-campo superficial. Resultante HMT exhibe características estáticas y dinámicas superiores.

Métodos Fabricación

Figura 1 ilustra disposición tridimensional FPL, FBL y HEMT convencional (Conv.). Todos dispositivos comparten dimensiones compuerta idénticas: longitud compuerta L_G=2.5 µm, espaciado compuerta-fuente L_GS=1.5 µm, espaciado compuerta-drenaje L_GD=10 µm. Pila epitaxial, crecida oblea 6-pulg (111) Si por deposición química vapor orgánico-metal (MOCVD), consiste capa 2 nm GaN cap, 23 nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N barrera, 1 nm AlN interlayer, 150 nm GaN canal, 3.5 µm GaN buffer. Medidas Hall rindieron densidad 2DEG 9.5×10¹² cm⁻² y movilidad 1500 cm²/V·s.

Fabricación dispositivo comenzó aislamiento mesa via grabado plasma acoplado inductivamente (ICP) Cl₂/BCl₃ alta potencia. Capa 40 nm Si₃N₄ LPCVD depositada 780 °C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm), logrando 3.7 nm/min. Elipsometría midió índice refracción 1.978 y ratio N/Si 1.31; HR-TEM confirmó cristalinidad amorfa (inset, Fig. 1a).

Ventanas fuente/drenaje abiertas grabado seco SF₆, seguido deposición Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) y recocido rápido 890 °C 30 s N₂. Resistencia contacto resultante 1 Ω·mm y resistencia lámina 400 Ω/□.

Electrodo compuerta definido Ni/Au (50/150 nm) lift-off. Ventana implante flúor 3-µm patternada resist AZ5214, iones implantados 10 keV dosis 1×10¹² cm⁻² usando implanter SEN NV-GSD-HE. Recocido final 400 °C 15 min N₂ completó proceso.

Resultados y Discusión

Figura 2 presenta perfiles espectrometría masas iones secundarios (SIMS) flúor y distribución vacancias simulada TRIM para dispositivos FPL (a) y FBL (b). Mientras concentración pico flúor y profundidad son similares ambos casos, distribución vacancias dispositivo FBL se extiende canal 2DEG, mientras dispositivo FPL permanece confinada dentro capa Si₃N₄, lejos canal. Porque vacancias cerca 2DEG pueden atrapar portadores, enfoque FPL reduce dramáticamente degradación estática y dinámica.

Figura 3 muestra curvas transferencia y salida I-V. Comparado HEMT Conv., tanto FPL como FBL exhiben ligero aumento resistencia ON estática debido agotamiento 2DEG y movilidad reducida (movilidades post-implante: 228 cm²/V·s FPL, 203 cm²/V·s FBL). A bajo sesgo drenaje (V_DS < 3 V), resistencia ON FPL y FBL casi idéntica. Sin embargo, V_DS > 3 V, dispositivo FBL sufre colapso corriente drenaje saturación porque perfil vacancias alcanza canal 2DEG, mientras dispositivo FPL mantiene corriente drenaje estable.

Figura 4 demuestra características I-V estado apagado y distribuciones E-campo superficial simuladas. BV medidos: 803 V (FPL), 746 V (FBL), 680 V (Conv.). Implante flúor entre compuerta y drenaje reduce pico E-campo borde compuerta e introduce nuevo pico borde región implante, produciendo campo más uniforme y mayor BV. Dispositivo FBL beneficia modulación campo más fuerte pero sufre daño barrera adicional, llevando BV ligeramente menor comparado FPL.

Medidas I-V pulsadas realizadas evaluar resistencia ON dinámica (R_ON,D) bajo conmutación lenta (ancho pulso 3 ms, período 5 ms). Figura 5 compara salida pulsada bajo sesgo cero y estrés drenaje 100 V. HEMT Conv. muestra solo aumento 12.3% R_ON,D, mientras R_ON,D dispositivo FBL casi duplica (aumento 98%). En contraste, dispositivo FPL exhibe solo aumento 23%, demostrando distribución vacancias confinada capa pasivación suprime efectivamente atrapamiento carga.

Conclusiones

Hemos demostrado HEMT AlGaN/GaN alto rendimiento que alcanza 803 V voltaje ruptura manteniendo resistencia ON dinámica solo 1.23 veces su valor estático tras pulso estrés drenaje 100 V. Implante flúor en capa pasivación Si₃N₄ gruesa preserva integridad 2DEG, suprime atrapamiento carga, y optimiza campo eléctrico superficial, permitiendo aumento sustancial BV 680 V (convencional) a 803 V.

Disponibilidad Datos y Materiales

Todos datos generados o analizados durante este estudio incluidos en artículo publicado.

Abreviaturas

2DEG

Gas electrones bidimensional

HEMT

Transistor alta movilidad electrones

ICP

Plasma acoplado inductivamente

LPCVD

Deposición química vapor baja presión

MOCVD

Deposición química vapor orgánico-metal

SIMS

Espectrometría masas iones secundarios

TEM

Microscopio electrónico transmisión