【氮化镓】三星200mm 硅基高阈值电压p-GaN器件

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【High threshold voltage p-GaN gate power devices on 200 mm Si】——IPSD2013

摘要：

三星公司的研究人员介绍了一种高阈值电压、低导通电阻和高速的GaN-HEMT功率器件，该器件在栅极堆叠中使用了p-GaN层。文章提出了三个创新点：首先，首次在200毫米GaN on Si衬底上使用无Au且完全与CMOS兼容的工艺制造了p-GaN栅HEMT；其次，通过采用p-GaN和W栅堆叠，实现了良好的电气特性，包括阈值电压高于2.8V、低栅极漏电流、无迟滞和快速开关；最后，展示了可以承受高达20V栅偏压的TO-220封装的p-GaN栅HEMT器件。这些特性表明，这些p-GaN HEMT器件与传统的Si功率器件栅极驱动器兼容。

图1：展示了在200毫米硅晶片上完全加工完成的p-GaN栅极HEMT器件的实物图（a）和器件的示意性横截面视图（b）

引言：

本文介绍了一种高阈值电压、低导通电阻和高速的GaN-HEMT功率器件，该器件在栅极堆叠中使用了p-GaN层。文章提出了三个创新点：首先，首次在200毫米GaN on Si衬底上使用无Au且完全与CMOS兼容的工艺制造了p-GaN栅HEMT；其次，通过采用p-GaN和W栅堆叠，实现了良好的电气特性，包括阈值电压高于2.8V、低栅极漏电流、无迟滞和快速开关；最后，展示了可以承受高达20V栅偏压的TO-220封装的p-GaN栅HEMT器件。这些特性表明，这些p-GaN HEMT器件与传统的Si功率器件栅极驱动器兼容。

外延生长和器件制造

晶片准备：在200毫米的硅（111）晶片上，首先沉积了一个150纳米的AlN（氮化铝）成核层，随后是一个3微米的高阻缓冲层。这些层为后续的HEMT结构生长提供了基础。
HEMT结构生长：在缓冲层之上，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长了HEMT结构，包括一个200纳米的未掺杂GaN（氮化镓）通道层、一个15纳米的Al0.2Ga0.8N（铝镓氮）势垒层和一个70纳米的Mg（镁）掺杂的p型GaN层。通过SIMS（二次离子质谱）测量，Mg在p-GaN层中的掺杂浓度被确定为2×10^19 cm^-3。
器件制造：在这些外延层之上，使用无金的CMOS兼容工艺制造了p-GaN栅极HEMT器件。制造流程的示意图如图2所示。为了减少后续处理过程中Mg的失活和p-GaN层的损伤，首先通过钨（W）的溅射和W及p-GaN层的刻蚀过程形成了自对准的p-GaN-W栅极堆叠。这个刻蚀过程非常关键，因为它控制了栅漏极漂移区域上方剩余的p-GaN层的厚度。过度刻蚀p-GaN层会导致下面的AlGaN层被刻蚀，而刻蚀不足则会在栅漏极漂移区域上方留下p-GaN层，这两种情况都会影响器件特性。
栅极钝化和欧姆接触：在栅极钝化过程中，使用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）SiO2进行了钝化。随后，使用基于Ti/Al（钛/铝）的金属堆叠形成了欧姆接触，并通过在N2（氮气）中550°C的后退火过程进一步稳定了这些接触。
场板和封装：最后，进行了场板的图案化处理。文章还展示了TO-220封装的p-GaN栅极HEMT器件，并对其直流和交流特性进行了测量。封装的器件能够承受高达20V的栅偏压，并且VTH（阈值电压）约为3V，表明这些器件与硅功率器件的传统栅极驱动器兼容。

图2：展示了制造p-GaN栅极HEMT器件的无金全CMOS兼容工艺的流程图。图中详细描述了从W栅金属的沉积和刻蚀，到源漏接触的形成，以及场板的形成的各个步骤。

电学特性表征：

这部分内容展示了p-GaN栅极HEMT器件的一系列电气特性，包括低栅极漏电流、高速开关能力、良好的电流密度可扩展性和整个晶片的均匀性，以及封装器件的特性。这些特性表明，这些器件适用于高功率应用，并且与现有的硅功率器件栅极驱动器兼容。同时，也指出了在高漏极偏压下可能出现的动态导通电阻问题，需要进一步的研究和改进。

电气特性曲线：图3展示了制造的p-GaN栅极HEMT器件的漏极电流（ID）、栅极电流（IG）和跨导（gm）随栅极电压（VGS）变化的特性。值得注意的是，IG比ID小大约两个数量级，表明器件具有较低的栅极漏电流。此外，gm曲线出现了第二个峰值，这可能是由于随着VGS增加，从栅极注入到漂移区的空穴增加了2DEG（二维电子气）的密度，从而导致了gm的额外峰值。
高速开关特性：图4展示了使用Agilent 81110A脉冲发生器进行的ID瞬态测量结果。实验中，在漏极节点施加了1V的直流偏压，并在栅极节点施加了脉冲。脉冲的开关电压为8V/0V，频率为10MHz，占空比为50%。通过直接测量源节点的电流，确认了器件可以实现小于2纳秒的快速开关。
ID的分散性：为了测量ID的分散性，比较了直流和脉冲VGS下的ID-VDS特性。脉冲测量中，VGS从0V开始，脉冲宽度为500微秒。如图5所示，没有观察到显著的分散性。
电流密度的可扩展性：图6比较了100微米宽的小尺寸器件和100毫米宽的大功率晶体管的电流密度，以验证器件的可扩展性。大功率晶体管的电流密度较低，但仍然显示出良好的性能，其在VDS = 1V和VGS = 12V时的ID为2.7A，RON为370毫欧姆。
整个晶片的均匀性：图7展示了整个200毫米晶片上制造的p-GaN栅极HEMT器件的VTH、RON和击穿电压（BV）的均匀性。BV是器件在关断状态下可以在漏极和源极之间承受的电压。在这项工作中，BV定义为在VGS = 0V时ID = 1微安/毫米的VDS。器件在整个晶片上表现出了合理的均匀性，中位数值分别为VTH = 2.8V，RON = 20欧姆·毫米和BV = 670V。
封装器件的特性：图9展示了封装的p-GaN栅极HEMT器件的击穿和ID-VDS特性曲线。封装器件的BV为900V，器件宽度为100毫米。
动态导通电阻问题：图10展示了TO-220封装的p-GaN HEMT器件的开关波形。器件在不同漏极偏压条件下，在0V和9V的VGS之间切换。当VDD（漏极电源电压）大于250V时，器件显示出动态RON问题，即初始导通电阻在开关后增加，然后逐渐降低到直流导通电阻值。为了避免这个问题，这些器件的允许最大VDD约为200V。