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【原】氮化镓 |美国和韩国联手实现带有多层金属
层的A lGaN/GaN HFET,显著提升性能
2020-09-11 大国重器... 阅 40
美国休斯顿大学、韩国国立顺天大学、韩国全北国立大学和LG电子的研究人员
联合使用多层金属化对硅基铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN )异质结场效应管
(HFET )进行了改进。与相同器件大小的传统单金属层HFET相比,该多层金属
GaN HFET获得更大沟道电流,在高漏极偏置电压下电流减少得更少。
背景
宽禁带材料GaN能够增加载流子饱和速度、移动性和密度,以及实现更高击穿电
压的临界电场。研究人员愿景是使用GaN晶体管替代现有功率电子应用中的纯硅器
件,并希望通过使用大直径硅衬底及增加器件密度来提高晶圆利用率,以此降低成
本。为此,研究人员希望能通过“硅基半导体产业中发展已非常成熟的多层金属化
思路”来增加单个晶圆上芯片的数量。
结构
Ⅲ-氮异质结构(如图1所示)通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD )生长
在直径为1 50mm的硅上。除了器件的栅极区域,顶层p-GaN层通过选择性电感耦
合等离子反应离子刻蚀移除。更多刻蚀产生器件隔离平台区域。源/漏电极由退火的
钛/铝/钯/金(Ti/Al/ Pd/Au )组成,栅电极是镍/金(Ni/Au )。使用等离子体增强
化学汽相沉积(PECVD )氮化硅使表面状态钝化。
图 Ⅲ-氮异质结构
工艺过程
第一层金属由Ti/Al在刻蚀后沉积而成,通过在氮化硅上的孔来实现与器件的导
通,如下图所示。之后使用光敏聚酰亚胺(PSPI )作为金属层之间的隔离。金属间
介质(IMD )以每分钟3000转的速度旋转涂抹到晶圆上,并以120摄氏度的温度软
烘烤(soft-baked )3分钟。该材料使用水晶灯365nm i-line UV光制造图形和通
孔。之后是140摄氏度硬烘烤3分钟,以及在氮气氛围320摄氏度下固化100分钟。
第二层金属是沉积在IMD上的Ti/Al线,通过导通孔互连。其上再放置一层IMD ,并
制出通孔。对最后一层IMD层使用氧等离子体来改进IMD和最后的Ni/Ti/Au源、栅
和漏键和区的附着性。
图 带有多层金属AlGaN/GaN HFET示意图
优势
研究人员评论道:“在这种结构中,芯片的尺寸要显著小于传统器件,
尺寸小
因为键和区直接落在最顶层的有源器件区域”。
常关型多层金属GaN HFET晶体管阈值电压是0.8V ,6V栅极
漏极
电压和4V漏极偏置电压下,最大漏极电流是46.3A (如图
电流大 3 )。而传统HFET在使用同样偏置的情况下,最大漏极电流
是18.4A。研究人员解释道:“在与输出功率相关的最大漏极电流方面,多层金属
HFET要高出240% ,是因为多层金属HFET能够在相同芯片面积基础上增加有源区
尺寸”。
在0V栅极电压和600V漏极偏置电压下,多层金属GaN HFET电流泄露
击穿电 是92μA。500μA泄露电流的击穿电压是635V ,这低于有同样芯片大小
压低
的传统HFET的670V击穿电压。
如果芯片大小同样都是5mm×5mm ,传统HFET栅宽是
栅宽 250800μm(2200μmx114) ,多层金属GaN HFET栅宽是590806μm
(4409μmx134)。
大
随着漏极偏置电压增加到10V ,自加热效应在6V栅极电压的情况下,分
散热
别将多金属层HFET和传统HFET的漏极电流减少14.07%和8.09%。自加
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