不同剂量氟处理对GaN 基器件横向电场分布的影响

2020-04-26孙永达徐浩然张珏铭陈冲

经济技术协作信息 2020年10期

◎孙永达徐浩然张珏铭陈冲

随着科学技术的高速进步，以GaN为代表的第三代半导体材料凭借其高禁带宽度、高电子饱和速度、良好的工作稳定性等优点，在高温大功率、微波器件领域拥有越来越重要的地位，由于目前CF4作为刻蚀剂广泛用于GaN 器件的栅槽刻蚀工艺中，因此研究氟等离子体对Al-GaN/GaN HEMT 器件的可能影响具有现实意义，本文针对不同剂量氟等离子体处理对AlGaN/GaN 器件的栅下横向电场分布进行了仿真模拟。

一、氟等离子体处理AlGaN/GaN HEMT 器件基本结构

图为氟等离子体处理AlGaN/GaN HEMT 器件基本结构，器件的基本形成过程主要分为以下几个步骤，第一、要在蓝宝石或者SiC 的衬底层上上生长一层约100nm 左右的AlN 成核层，其作用为生长GaN 缓冲层做铺垫。第二，在成核层上生长一层1 至3um 的GaN 作为器件的缓冲层。第三，在GaN 缓冲层上生长一层约20nm 厚度的AlGaN 势垒层。第四，在AlGaN 势垒层上面再次生长一层2 至3nm 的GaN 帽层，盖帽层分为N 型和P型两种，不能类别的帽层结构具有不同的作用，其中N-GaN 盖帽层可以有效地防止AlGaN 势垒层中的Al 原子扩散，保证沟道中的二维电子气浓度；而P-GaN 盖帽层则可以一定程度降低AlGaN 一侧的势垒高度，进而降低沟道中的二维电子气浓度，使得器件的阈值电压得到提高。图中的二维电子气指的是一种只能在Al-GaN/GaN 异质结材料界面处自由移动的电子，在AlGaN/GaN 垂直的界面上不发生移动，但在器件的实际工作中，由于外加偏压过大，AlGaN 表面不够洁净、Al-GaN 势垒层生长情况不理想或者在器件的制备过程中，器件沾染杂质离子，都会导致二维电子气不仅在只在AlGaN/GaN异质界面中发生移动，也会在垂直于Al-GaN/GaN 的异质结界面发生移动，形成反向栅泄露电流，降低AlGaN/GaN HEMT 器件的击穿电压，影响器件的性能和工作功率。S 为器件的源极，G 为器件的栅极，D 为器件的漏极，栅极主要用于控制器件的关断，当栅极端接负电压时候，二维电子气将被排除出沟道，无论漏端电压多大，器件也不会形成从S 极到D 极的电子定向移动，器件处于关断状态，最小的关断电压我们称其为阈值电压。当栅极接正向电压时，负电性的电子将在异质结极化层处大量堆积，器件处于开启状态，此时在S端和D 端外加偏压，电子将发生定向移动，形成电流。保持SD 端的漏电压不变，随着G 端电压的不断增加，二维电子气浓度将不断提升，源漏间的电流将提高。

二、不同剂量氟处理对栅下电场强度的影响

常规器件的栅电极制作完成之后，结构上栅极位置与其正下方的耗尽层相互垂直，外加栅极电压后，耗尽层中的栅极电场线同样与耗尽层垂直，当器件处于工作状态时，由于源漏间存在偏压，极靠近源漏偏压的边缘处，耗尽层边界电场线将发生严重的弯曲，且曲率很大。造成的结果为电场线密集的向栅电极边缘集中，相同的偏压下，栅极边缘处耗尽层的峰值电场远远大于栅极正下方耗尽层的峰值电场，由于电场强度增大，栅极附近陷阱电荷增强，同时耗尽层内电子能量增强，碰撞电离率升高，且电子有足够的运动距离用于其加速，器件在源、漏间发生雪崩击穿的概率将大大提高。

为研究不同剂量氟处理对栅下横向电场分布的影响，本次仿真实验的主要步骤如下：第一、通过Sivaco 软件编写程序模拟出AlGaNGaN HEMT 器件的基本结构并设定器件的模型参数，器件的基本尺寸为栅长为0.5um，源漏间距为3.5um，栅漏间距为2.5um，钝化层厚度暂定为0nm。第二、在AlGaN/GaN HEMT 器件的模型中调入业界已经成熟应用的程序模型，主要包括二维电子气模型，迁移率模型、载流子生成-复合模型、碰撞电离模型，雪崩击穿等模型等。第三、将器件的二维电子气浓度用界面态设置为1013量级，氟等离子体注入的位置设置在栅下0.4um 的范围内，氟注入的剂量分别为1.0-3.0×1012cm-3。

仿真结果如图所示，同一区域内，随着氟注入剂量的不断增加，栅下横向电场的峰值也不断地随之降低，无氟注入的常规器件与氟注入剂量为3.0e^12 的器件相比，场强峰值由3e^12 降到了2.5e^12，降幅达到16%左右，这说明栅边缘的电场线被有效的分散，栅漏间的横向电场强度变得更为平缓。根据仿真实验结果我们推测，氟等离子注入，一方面在栅下引入和大量的负电荷，这使得栅下横向电场分布更加均匀，另一方面，氟等离子体注入的过程可以清洁AlGaN 势垒层表面，减小其表面态，使器件表面更加光滑，从而减小栅反向泄露电流，从而提升器件的击穿电压。栅漏间的横向电场强度更为平缓的同时，我们也应该意识到两点，第一，虽然氟离子注入有利于器件击穿电压的提升，但负离子的引入有可能对器件的跨导产生不利影响，使器件的栅控能力下降。第二，实际的工艺过程中，氟注入一般伴随着以CF4 为刻蚀剂的刻蚀过程，如果刻蚀强度过大，可能会引起器件的损伤，导致器件无法正常工作。事实上，通过CF4 刻蚀过程，在栅下进行氟离子注入的具体工艺中，我们一般采用低功率，小剂量的CF4注入过程，这样形成的器件结构，我们称为轻掺杂漏源结构，简称为LDD 结构。