不同劑量氟處理對(duì)GaN 基器件橫向電場(chǎng)分布的影響

◎?qū)O永達(dá) 徐浩然 張玨銘 陳沖

隨著科學(xué)技術(shù)的高速進(jìn)步，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其高禁帶寬度、高電子飽和速度、良好的工作穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在高溫大功率、微波器件領(lǐng)域擁有越來越重要的地位，由于目前CF4作為刻蝕劑廣泛用于GaN 器件的柵槽刻蝕工藝中，因此研究氟等離子體對(duì)Al-GaN/GaN HEMT 器件的可能影響具有現(xiàn)實(shí)意義，本文針對(duì)不同劑量氟等離子體處理對(duì)AlGaN/GaN 器件的柵下橫向電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真模擬。

一、氟等離子體處理AlGaN/GaN HEMT 器件基本結(jié)構(gòu)

圖為氟等離子體處理AlGaN/GaN HEMT 器件基本結(jié)構(gòu)，器件的基本形成過程主要分為以下幾個(gè)步驟，第一、要在藍(lán)寶石或者SiC 的襯底層上上生長(zhǎng)一層約100nm 左右的AlN 成核層，其作用為生長(zhǎng)GaN 緩沖層做鋪墊。第二，在成核層上生長(zhǎng)一層1 至3um 的GaN 作為器件的緩沖層。第三，在GaN 緩沖層上生長(zhǎng)一層約20nm 厚度的AlGaN 勢(shì)壘層。第四，在AlGaN 勢(shì)壘層上面再次生長(zhǎng)一層2 至3nm 的GaN 帽層，蓋帽層分為N 型和P型兩種，不能類別的帽層結(jié)構(gòu)具有不同的作用，其中N-GaN 蓋帽層可以有效地防止AlGaN 勢(shì)壘層中的Al 原子擴(kuò)散，保證溝道中的二維電子氣濃度；而P-GaN 蓋帽層則可以一定程度降低AlGaN 一側(cè)的勢(shì)壘高度，進(jìn)而降低溝道中的二維電子氣濃度，使得器件的閾值電壓得到提高。圖中的二維電子氣指的是一種只能在Al-GaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料界面處自由移動(dòng)的電子，在AlGaN/GaN 垂直的界面上不發(fā)生移動(dòng)，但在器件的實(shí)際工作中，由于外加偏壓過大，AlGaN 表面不夠潔凈、Al-GaN 勢(shì)壘層生長(zhǎng)情況不理想或者在器件的制備過程中，器件沾染雜質(zhì)離子，都會(huì)導(dǎo)致二維電子氣不僅在只在AlGaN/GaN異質(zhì)界面中發(fā)生移動(dòng)，也會(huì)在垂直于Al-GaN/GaN 的異質(zhì)結(jié)界面發(fā)生移動(dòng)，形成反向柵泄露電流，降低AlGaN/GaN HEMT 器件的擊穿電壓，影響器件的性能和工作功率。S 為器件的源極，G 為器件的柵極，D 為器件的漏極，柵極主要用于控制器件的關(guān)斷，當(dāng)柵極端接負(fù)電壓時(shí)候，二維電子氣將被排除出溝道，無論漏端電壓多大，器件也不會(huì)形成從S 極到D 極的電子定向移動(dòng)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，最小的關(guān)斷電壓我們稱其為閾值電壓。當(dāng)柵極接正向電壓時(shí)，負(fù)電性的電子將在異質(zhì)結(jié)極化層處大量堆積，器件處于開啟狀態(tài)，此時(shí)在S端和D 端外加偏壓，電子將發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流。保持SD 端的漏電壓不變，隨著G 端電壓的不斷增加，二維電子氣濃度將不斷提升，源漏間的電流將提高。

二、不同劑量氟處理對(duì)柵下電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

常規(guī)器件的柵電極制作完成之后，結(jié)構(gòu)上柵極位置與其正下方的耗盡層相互垂直，外加?xùn)艠O電壓后，耗盡層中的柵極電場(chǎng)線同樣與耗盡層垂直，當(dāng)器件處于工作狀態(tài)時(shí)，由于源漏間存在偏壓，極靠近源漏偏壓的邊緣處，耗盡層邊界電場(chǎng)線將發(fā)生嚴(yán)重的彎曲，且曲率很大。造成的結(jié)果為電場(chǎng)線密集的向柵電極邊緣集中，相同的偏壓下，柵極邊緣處耗盡層的峰值電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵極正下方耗盡層的峰值電場(chǎng)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度增大，柵極附近陷阱電荷增強(qiáng)，同時(shí)耗盡層內(nèi)電子能量增強(qiáng)，碰撞電離率升高，且電子有足夠的運(yùn)動(dòng)距離用于其加速，器件在源、漏間發(fā)生雪崩擊穿的概率將大大提高。

為研究不同劑量氟處理對(duì)柵下橫向電場(chǎng)分布的影響，本次仿真實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：第一、通過Sivaco 軟件編寫程序模擬出AlGaNGaN HEMT 器件的基本結(jié)構(gòu)并設(shè)定器件的模型參數(shù)，器件的基本尺寸為柵長(zhǎng)為0.5um，源漏間距為3.5um，柵漏間距為2.5um，鈍化層厚度暫定為0nm。第二、在AlGaN/GaN HEMT 器件的模型中調(diào)入業(yè)界已經(jīng)成熟應(yīng)用的程序模型，主要包括二維電子氣模型，遷移率模型、載流子生成-復(fù)合模型、碰撞電離模型，雪崩擊穿等模型等。第三、將器件的二維電子氣濃度用界面態(tài)設(shè)置為1013量級(jí)，氟等離子體注入的位置設(shè)置在柵下0.4um 的范圍內(nèi)，氟注入的劑量分別為1.0-3.0×1012cm-3。

仿真結(jié)果如圖所示，同一區(qū)域內(nèi)，隨著氟注入劑量的不斷增加，柵下橫向電場(chǎng)的峰值也不斷地隨之降低，無氟注入的常規(guī)器件與氟注入劑量為3.0e^12 的器件相比，場(chǎng)強(qiáng)峰值由3e^12 降到了2.5e^12，降幅達(dá)到16%左右，這說明柵邊緣的電場(chǎng)線被有效的分散，柵漏間的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度變得更為平緩。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們推測(cè)，氟等離子注入，一方面在柵下引入和大量的負(fù)電荷，這使得柵下橫向電場(chǎng)分布更加均勻，另一方面，氟等離子體注入的過程可以清潔AlGaN 勢(shì)壘層表面，減小其表面態(tài)，使器件表面更加光滑，從而減小柵反向泄露電流，從而提升器件的擊穿電壓。柵漏間的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度更為平緩的同時(shí)，我們也應(yīng)該意識(shí)到兩點(diǎn)，第一，雖然氟離子注入有利于器件擊穿電壓的提升，但負(fù)離子的引入有可能對(duì)器件的跨導(dǎo)產(chǎn)生不利影響，使器件的柵控能力下降。第二，實(shí)際的工藝過程中，氟注入一般伴隨著以CF4 為刻蝕劑的刻蝕過程，如果刻蝕強(qiáng)度過大，可能會(huì)引起器件的損傷，導(dǎo)致器件無法正常工作。事實(shí)上，通過CF4 刻蝕過程，在柵下進(jìn)行氟離子注入的具體工藝中，我們一般采用低功率，小劑量的CF4注入過程，這樣形成的器件結(jié)構(gòu)，我們稱為輕摻雜漏源結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)DD 結(jié)構(gòu)。

三、結(jié)語

相比于第一代，第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料器件AlGaN/GaN HEM 憑借其優(yōu)良的材料特性，目前已經(jīng)得到越來越廣泛的關(guān)注和研究，低功率氟等離子處理形成LDD 結(jié)構(gòu)從而提高器件的擊穿電壓已被業(yè)內(nèi)關(guān)注。