不同劑量氟處理對GaN 基器件橫向電場分布的影響

◎孫永達 徐浩然 張玨銘 陳沖

隨著科學技術的高速進步，以GaN為代表的第三代半導體材料憑借其高禁帶寬度、高電子飽和速度、良好的工作穩定性等優點，在高溫大功率、微波器件領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Al-GaN/GaN HEMT 器件的可能影響具有現實意義，本文針對不同劑量氟等離子體處理對AlGaN/GaN 器件的柵下橫向電場分布進行了仿真模擬。

一、氟等離子體處理AlGaN/GaN HEMT 器件基本結構

圖為氟等離子體處理AlGaN/GaN HEMT 器件基本結構，器件的基本形成過程主要分為以下幾個步驟，第一、要在藍寶石或者SiC 的襯底層上上生長一層約100nm 左右的AlN 成核層，其作用為生長GaN 緩沖層做鋪墊。第二，在成核層上生長一層1 至3um 的GaN 作為器件的緩沖層。第三，在GaN 緩沖層上生長一層約20nm 厚度的AlGaN 勢壘層。第四，在AlGaN 勢壘層上面再次生長一層2 至3nm 的GaN 帽層，蓋帽層分為N 型和P型兩種，不能類別的帽層結構具有不同的作用，其中N-GaN 蓋帽層可以有效地防止AlGaN 勢壘層中的Al 原子擴散，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 一側的勢壘高度，進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 異質結材料界面處自由移動的電子，在AlGaN/GaN 垂直的界面上不發生移動，但在器件的實際工作中，由于外加偏壓過大，AlGaN 表面不夠潔凈、Al-GaN 勢壘層生長情況不理想或者在器件的制備過程中，器件沾染雜質離子，都會導致二維電子氣不僅在只在AlGaN/GaN異質界面中發生移動，也會在垂直于Al-GaN/GaN 的異質結界面發生移動，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斷，當柵極端接負電壓時候，二維電子氣將被排除出溝道，無論漏端電壓多大，器件也不會形成從S 極到D 極的電子定向移動，器件處于關斷狀態，最小的關斷電壓我們稱其為閾值電壓。當柵極接正向電壓時，負電性的電子將在異質結極化層處大量堆積，器件處于開啟狀態，此時在S端和D 端外加偏壓，電子將發生定向移動，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、不同劑量氟處理對柵下電場強度的影響

常規器件的柵電極制作完成之后，結構上柵極位置與其正下方的耗盡層相互垂直，外加柵極電壓后，耗盡層中的柵極電場線同樣與耗盡層垂直，當器件處于工作狀態時，由于源漏間存在偏壓，極靠近源漏偏壓的邊緣處，耗盡層邊界電場線將發生嚴重的彎曲，且曲率很大。造成的結果為電場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遠遠大于柵極正下方耗盡層的峰值電場，由于電場強度增大，柵極附近陷阱電荷增強，同時耗盡層內電子能量增強，碰撞電離率升高，且電子有足夠的運動距離用于其加速，器件在源、漏間發生雪崩擊穿的概率將大大提高。

為研究不同劑量氟處理對柵下橫向電場分布的影響，本次仿真實驗的主要步驟如下：第一、通過Sivaco 軟件編寫程序模擬出AlGaNGaN HEMT 器件的基本結構并設定器件的模型參數，器件的基本尺寸為柵長為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 器件的模型中調入業界已經成熟應用的程序模型，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設置為1013量級，氟等離子體注入的位置設置在柵下0.4um 的范圍內，氟注入的劑量分別為1.0-3.0×1012cm-3。

仿真結果如圖所示，同一區域內，隨著氟注入劑量的不斷增加，柵下橫向電場的峰值也不斷地隨之降低，無氟注入的常規器件與氟注入劑量為3.0e^12 的器件相比，場強峰值由3e^12 降到了2.5e^12，降幅達到16%左右，這說明柵邊緣的電場線被有效的分散，柵漏間的橫向電場強度變得更為平緩。根據仿真實驗結果我們推測，氟等離子注入，一方面在柵下引入和大量的負電荷，這使得柵下橫向電場分布更加均勻，另一方面，氟等離子體注入的過程可以清潔AlGaN 勢壘層表面，減小其表面態，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。柵漏間的橫向電場強度更為平緩的同時，我們也應該意識到兩點，第一，雖然氟離子注入有利于器件擊穿電壓的提升，但負離子的引入有可能對器件的跨導產生不利影響，使器件的柵控能力下降。第二，實際的工藝過程中，氟注入一般伴隨著以CF4 為刻蝕劑的刻蝕過程，如果刻蝕強度過大，可能會引起器件的損傷，導致器件無法正常工作。事實上，通過CF4 刻蝕過程，在柵下進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，這樣形成的器件結構，我們稱為輕摻雜漏源結構，簡稱為LDD 結構。

三、結語

相比于第一代，第二代半導體材料，第三代半導體材料器件AlGaN/GaN HEM 憑借其優良的材料特性，目前已經得到越來越廣泛的關注和研究，低功率氟等離子處理形成LDD 結構從而提高器件的擊穿電壓已被業內關注。