IEEE：頂部金剛石在 AlGaN/GaN HEMTs 中作為鈍化層與熱擴(kuò)展層雙重作用

論文信息：

J. . -K. Kim et al., "Demonstration of the Dual Role of Topside Diamond as a Passivation Layer and Heat Spreader in AlGaN/GaN HEMTs," 2025 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2025, pp. 1-4

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11353601

Part.1

研究背景

AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMTs）由于寬禁帶以及在異質(zhì)結(jié)處形成的高遷移率高密度二維電子氣（2DEG），已成為射頻電子學(xué)的主流器件技術(shù)。盡管其理論電學(xué)性能優(yōu)異，柵極溝道內(nèi)的自熱仍是限制輸出功率密度（Pout）提升與頻率擴(kuò)展的主要瓶頸之一。

為解決器件級(jí)熱管理問(wèn)題，本研究此前開(kāi)發(fā)了低溫（≤450 °C）、高導(dǎo)熱（~400–500 W/m/K）的多晶金剛石（PCD）頂部與全包覆集成生長(zhǎng)工藝，并在近期工作中證明 PCD 集成可在不損傷器件完整性的條件下有效冷卻 2DEG 溝道。隨之產(chǎn)生的問(wèn)題是：頂部 PCD 熱擴(kuò)展層能否同時(shí)作為表面鈍化層以抑制 DC-RF 色散。Ga 極性 HEMTs 缺乏固有鈍化而依賴外加介質(zhì)層（例如 CVD SiNx）抑制色散；但從熱角度看，SiNx 導(dǎo)熱率較差，會(huì)在與頂部 PCD 組合時(shí)引入聲子傳輸障礙并限制散熱。減薄 SiNx 可縮短 PCD 到溝道熱點(diǎn)的距離并增強(qiáng)冷卻，但過(guò)度減薄會(huì)削弱鈍化能力并加劇 DC-RF 色散。基于此，本研究展示：在單獨(dú)作為鈍化層并不足夠的超薄（~10 nm）SiNx 之上生長(zhǎng)頂部 PCD，可有效抑制 DC-RF 色散，同時(shí)獲得熱管理與表面鈍化的雙重收益。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

本研究對(duì)象為完全制備完成后的 AlGaN/GaN HEMTs，在器件表面生長(zhǎng)低溫（≤450 °C）多晶金剛石（PCD），使其同時(shí)充當(dāng)表面鈍化層與熱擴(kuò)展層。器件采用電子束曝光定義 200–300 nm 柵長(zhǎng)（LG），并進(jìn)行 SiNx recess 刻蝕以獲得約 10 nm 超薄 SiNx；源/漏歐姆接觸采用 Ti/Al/Ni/Au 金屬體系并在 850 °C、45 s 退火；T 型柵采用 Ni/Au；在 PCD 沉積前進(jìn)行深隔離刻蝕以移除非有源區(qū) GaN 體層以降低 PCD 到 SiC 熱沉的熱阻；PCD 厚度約 1–1.5 μm，隨后通過(guò) ICP-RIE 開(kāi) pad 窗。表征包括：DC 與脈沖 I–V、門極電阻測(cè)溫（GRT）評(píng)估溝道溫度隨直流功率密度變化、小信號(hào) S 參數(shù)提取 |h21|2 與 U 并得到 fT/fmax，以及 10 GHz CW 大信號(hào)負(fù)載牽引測(cè)量 Pout 與 PAE；圖像/數(shù)據(jù)按順序用于展示：PCD 前后熱通路示意、工藝流程、柵凹陷與 SiNx 厚度確認(rèn)、PCD 覆蓋形貌與截面、DC 傳輸特性與器件外觀、輸出特性與接觸電阻變化、GRT 標(biāo)定與自熱測(cè)量、DC-RF 色散對(duì)比、小信號(hào)增益對(duì)比以及大信號(hào)負(fù)載牽引結(jié)果。

圖 1 器件的截面示意圖：（a）PCD 鈍化之前；（b）PCD 鈍化之后。PCD 鈍化增強(qiáng)了熱點(diǎn)處的熱耗散，使熱量能夠在向上與向下兩個(gè)方向更高效地流動(dòng)

在未集成 PCD 的情況下，柵極漏側(cè)邊緣附近產(chǎn)生的熱量主要沿下行路徑通過(guò) GaN 外延層傳導(dǎo)至 SiC 襯底（熱沉）。集成全包覆 PCD 后，結(jié)構(gòu)引入額外的并聯(lián)散熱通路與熱擴(kuò)展作用，使熱點(diǎn)熱量不僅向下傳導(dǎo)，也可通過(guò)頂部 PCD 向上擴(kuò)散并參與散熱，從而增強(qiáng)對(duì)熱點(diǎn)的熱抽取能力。

圖 2 PCD 鈍化 AlGaN/GaN HEMT 的器件制備流程。低溫 PCD 工藝使“先器件后 PCD”的器件優(yōu)先（device-first）路線成為可能，從而允許將 PCD 集成作為最終步驟

柵指通過(guò)電子束曝光定義，隨后進(jìn)行 SiNx recess 刻蝕；MESA 采用 BCl3/Cl2 基 ICP-RIE 刻蝕約 350 nm；源/漏歐姆接觸金屬堆棧為 Ti（20 nm）/Al（120 nm）/Ni（30 nm）/Au（60 nm），并在 850 °C、45 s 快速熱退火；T 柵金屬堆棧為 Ni/Au（30/300 nm）；沉積 π-feed GSG pad。PCD 沉積前進(jìn)行深隔離刻蝕以在非有源區(qū)完全移除 GaN 體層，從而最小化 PCD 與 SiC 熱沉之間熱阻；隨后在 ≤450 °C 條件下通過(guò)微波 CVD 沉積約 1–1.5 μm PCD，并通過(guò) O2/Ar/CF4 基 ICP-RIE 打開(kāi) pad 區(qū)域。

圖 3 （a）SiNx recess 刻蝕后柵凹陷區(qū)域的 SEM 顯微圖，確認(rèn) LG 為 200 nm。（b）凹陷區(qū)域的 AFM 深度剖面，指示 SiNx 厚度約為 ~10 nm；該厚度不足以有效抑制 DC-RF 色散

該器件采用 SiNx recess 工藝形成超薄 SiNx 層，并通過(guò) SEM 與 AFM 對(duì)柵長(zhǎng)與 SiNx 厚度進(jìn)行確認(rèn)。所得到的 ~10 nm SiNx 被明確指出為“單獨(dú)不足以有效抑制 DC-RF 色散”的厚度水平，從而為后續(xù)引入頂部 PCD 作為補(bǔ)充鈍化層與熱擴(kuò)展層提供工藝與物理基礎(chǔ)。

圖 4 所制備 AlGaN/GaN HEMT（LG = 200 nm，LSD = 2.5 μm）的頂視 SEM 顯微圖：（a）PCD 鈍化之前；（b）柵指區(qū)域放大圖，顯示相鄰的源/漏合金化接觸；（c）PCD 鈍化之后；（d）柵指區(qū)域放大圖，顯示被 PCD 晶粒覆蓋的柵指區(qū)域。圖（c）與（d）確認(rèn) PCD 在整個(gè)器件（包括柵指區(qū)域）上的均勻覆蓋。（e）柵金屬區(qū)域的 FIB-SEM 截面圖像，顯示頂部 PCD 層在無(wú)空洞的情況下均勻包覆柵金屬

PCD 沉積后的形貌表征用于確認(rèn) PCD 作為最終步驟集成時(shí)對(duì)已完成器件結(jié)構(gòu)的覆蓋完整性。頂視與局部放大圖顯示 PCD 晶粒覆蓋柵指區(qū)域且覆蓋均勻；FIB 截面圖進(jìn)一步確認(rèn) PCD 以約 1–1.5 μm 厚度包覆柵金屬并無(wú)空洞，從而支撐后續(xù)對(duì)“與器件操作完全兼容”的電學(xué)表征前提。

圖 5 （a）半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下 ID、|IG| 隨 VGS 變化，（b）線性坐標(biāo)下 ID、Gm 隨 VGS 變化，（c）π-feed GSG 器件在 PCD 沉積前（上）與 PCD 沉積后（下）的光學(xué)顯微照片。PCD 沉積后通過(guò) ICP-RIE 打開(kāi) pad 接觸區(qū)域

PCD 前后 π-feed RF 器件的 ID–VGS 特性對(duì)比顯示：在 VGS = ?5 V、VDS = 5 V 時(shí)，門極漏電流 IG 由 0.19 μA/mm 增至 4.39 μA/mm，但仍處于可接受范圍以支持正常 RF 器件運(yùn)行。跨導(dǎo)與電流的 VGS 依賴在 PCD 后仍保持可用。光學(xué)照片顯示 pad 區(qū)域在 PCD 沉積后通過(guò) ICP-RIE 開(kāi)窗以恢復(fù)探針接觸。

圖 6 （a）ID 隨 VDS 變化，以及（b）源/漏合金化歐姆接觸（Ti/Al/Ni/Au）在 PCD 鈍化前（黑色）與鈍化后（藍(lán)色）的 TLM 分析。（c）本研究所用片上 TLM 結(jié)構(gòu)在 PCD 沉積前（上）與沉積后（下）的光學(xué)顯微照片

輸出特性顯示 PCD 后導(dǎo)通電阻 Ron 僅有輕微增加；該變化部分來(lái)自接觸電阻 RC 的輕微增加：RC 由 ~0.42 Ω·mm 增至 ~0.51 Ω·mm。2DEG 片電阻在 PCD 后保持不變。片上 TLM 結(jié)構(gòu)用于完成上述接觸電阻與片電阻提取。

圖 7 （a）PCD 沉積前（黑色）與沉積后（藍(lán)色），在 25 °C 到 200 °C（每 25 °C 一步）的溫度范圍內(nèi)的 RG 標(biāo)定結(jié)果。（b）PCD 沉積前與（c）沉積后測(cè)得的輸出特性，同時(shí)由于自熱導(dǎo)致 RG 發(fā)生變化。（d）估算的平均溝道溫度隨直流功率密度變化，顯示 PCD 沉積后溫度明顯降低。GRT 器件尺寸為 LG = 250 nm，LSD = 5 μm，W = 100 μm（單指）

門極電阻測(cè)溫（GRT）用于評(píng)估溝道溫度與功率耗散的關(guān)系。RG 在 25–200 °C 范圍內(nèi)標(biāo)定得到溫度系數(shù)：PCD 前 α 為 2.82×10?3 °C?1，PCD 后 α 為 6.48×10?? °C?1；同時(shí)，25 °C 下的 RG 由 ~30 Ω 增至 ~108 Ω，該變化被歸因于 PCD 工藝期間 Ni/Au 柵金屬堆棧中的金屬互擴(kuò)散。

在自熱測(cè)試中，VDS 從 0 V 掃至 40 V，并在柵電極兩端施加 10 mV 偏置以同時(shí)監(jiān)測(cè) RG；RG 通過(guò)標(biāo)定關(guān)系換算為溫度。結(jié)果顯示：在 ~4 W/mm 時(shí)平均溝道溫度下降約 ~12 °C，在 ~18 W/mm 時(shí)下降約 ~55 °C，表明 PCD 具有顯著冷卻效應(yīng)。

圖 8 DC-RF 色散特性：（a）PCD 鈍化前與（b）PCD 鈍化后，在靜態(tài)點(diǎn)（?4 V，10 V）下測(cè)得。（c）在更嚴(yán)苛靜態(tài)偏置（?3 V，20 V）條件下，PCD 鈍化后的 DC-RF 色散，以及脈沖 I–V 測(cè)量裝置示意（插圖）。（d）在 Pout,DC = 18 W/mm 時(shí)，IKnee 色散隨 ΔT 的變化。SiNx 鈍化數(shù)據(jù)[5]在相同脈沖測(cè)量條件（柵脈沖：600 ns，漏脈沖：800 ns，周期：5 ms）且靜態(tài)偏置（?4 V，12 V）下獲得

脈沖 I–V 用于表征 DC-RF 色散。測(cè)量使用柵脈沖 600 ns、漏脈沖 800 ns、周期 5 ms，并在靜態(tài)點(diǎn)（VGS,Q，VDS,Q）=（?4 V，10 V）下對(duì)比 PCD 前后輸出特性。PCD 前器件表現(xiàn)出顯著色散：在脈沖條件下出現(xiàn)約 ~30% 的膝點(diǎn)電流（Iknee）降低，并伴隨明顯的膝點(diǎn)電壓（Vknee）走移，該行為與嚴(yán)重表面陷阱效應(yīng)相關(guān)。PCD 后色散被顯著最小化：Iknee 降低僅 ~5%，Vknee 走移可忽略，表明 PCD 層可有效抑制表面陷阱效應(yīng)。

脈沖 I–V 用于表征 DC-RF 色散。測(cè)量使用柵脈沖 600 ns、漏脈沖 800 ns、周期 5 ms，并在靜態(tài)點(diǎn)（VGS,Q，VDS,Q）=（?4 V，10 V）下對(duì)比 PCD 前后輸出特性。PCD 前器件表現(xiàn)出顯著色散：在脈沖條件下出現(xiàn)約 ~30% 的膝點(diǎn)電流（Iknee）降低，并伴隨明顯的膝點(diǎn)電壓（Vknee）走移，該行為與嚴(yán)重表面陷阱效應(yīng)相關(guān)。PCD 后色散被顯著最小化：Iknee 降低僅 ~5%，Vknee 走移可忽略，表明 PCD 層可有效抑制表面陷阱效應(yīng)。

圖 9 柵長(zhǎng) LG 為 200 nm、LSD 為 3 μm 的器件在 PCD 前（黑色）與 PCD 后（藍(lán)色）的小信號(hào)增益隨頻率變化

偏置相關(guān) S 參數(shù)測(cè)量用于提取小信號(hào)增益，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用 SOLT 標(biāo)定，并使用片上 open/short GSG pads 去嵌入。于最大跨導(dǎo)偏置點(diǎn)（VGS = ?2 V，VDS = 5 V）測(cè)得：兩種器件的截止頻率 fT 均保持在 ~52 GHz；盡管 PCD 增加寄生電容，其對(duì) fT 的影響被“減少表面陷阱并緩解 DC-RF 色散”的效應(yīng)所補(bǔ)償。另一方面，最大振蕩頻率 fmax 在 PCD 后由 ~138 GHz 降至 ~102 GHz；該降低被歸因于 RG 增加，從而需要進(jìn)一步研究在 PCD 過(guò)程中更穩(wěn)健的柵金屬方案。

圖 10 10 GHz 連續(xù)波（CW）大信號(hào)負(fù)載牽引結(jié)果：器件（a）無(wú) PCD 集成與（b）有 PCD 集成。被測(cè)器件尺寸為 LG = 200 nm，LSD = 2.5 μm。兩種情況下源端與負(fù)載端條件分別為 ΓS = 0.5186 + j0.5167（|ΓS| = 0.804，∠ΓS = 49.87°）與 ΓL = 0.8188 + j0.1957（|ΓL| = 0.842，∠ΓL = 13.45°）

在 10 GHz CW 條件下進(jìn)行大信號(hào)負(fù)載牽引。器件以 Class-AB 工作并具有名義靜態(tài)電流 100 mA。結(jié)果顯示，在 VDS = 26 V 時(shí)，PCD 后 Pout 與功率附加效率（PAE）均提升：Pout 由 2.5 W/mm 提升至 3.3 W/mm，PAE 由 30.4% 提升至 39.4%，且增益壓縮（gain compression）更小。由于該輸出功率水平不足以引起顯著自熱（例如基于圖7 的 GRT，在 ~4 W/mm 時(shí) ΔT ~12 °C），因此該改進(jìn)主要?dú)w因于 PCD 的表面鈍化效應(yīng)；并指出對(duì)于為更高 VDS 與更高 Pout 設(shè)計(jì)的場(chǎng)板器件，PCD 的冷卻效應(yīng)應(yīng)在大信號(hào)性能指標(biāo)中更為突出。

Part.3

研究總結(jié)

本研究首次證明頂部 PCD 層可有效抑制 GaN HEMTs 的 DC-RF 色散，使 DC 與脈沖輸出特性之間的 Iknee 色散由 ~30% 降至 ~5%。除鈍化功能外，PCD 層還在 18 W/mm 時(shí)將平均溝道溫度降低約 ~55 °C（由 GRT 確認(rèn)）。這些結(jié)果表明頂部 PCD 可作為同時(shí)推進(jìn)熱管理與電學(xué)可靠性的雙功能方案，用于下一代 RF GaN HEMTs。

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