氮化镓GaN功率集成技术.doc
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1、精品论文氮化镓(GaN)功率集成技术陈万军1,周琦1,陈敬2(1. 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054;52. 香港科技大学电子与计算机工程系,香港) 摘要:提出一种基于氮化镓(GaN)的功率集成技术, 通过该工艺技术, 能够单片集成功率 集成电路所需的功率模块以及控制单元所需的各种低压器件。基于该工艺技术, 实现了单片 集成的电压基准源、温度补偿比较器、Boost 转换器等模块, 这些模块是构成 GaN 功率集成10电路与系统的重要组成部分, 其成功开发为新一代智能功率集成技术提供了必要的技术储备和技术支持。关键词:氮化镓;功率集成;氟等离子体注入中图分类号:T
2、N315GaN-based Power Integrated TechnologyCHEN Wanjun1, ZHOU Qi1, CHEN Jing2(1. The State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University ofElectronics Science and Technology of China, Chengdu 610054;2. Dept. of Electronic and Computer Engineering, Hong Kong University of S
3、cience and20Technology, Clearwater Bay, Kowloon, Hong Kong)Abstract: Smart power chip technology has been realized on the GaN-based platform by using fluorine plasma ion implantation. This technoglogy features monolithically integrated power devices, digital and analog functional blocks. Based on th
4、is technology, we demonstrate a voltage reference generator, a voltage reference generator and a DC-DC converter. These circuits are shown to be capable of proper25functions from room temperature up to 250 . The propsoed smart power chip technology is apromising candidate for GaN power integrated ci
5、rcuits.Key words: GaN; power integration; fluorine plasma ion implantation0引言30集成功率器件与智能控制单元、基于片上系统解决方案的智能功率芯片技术成为未来功 率系统的最佳选择1, 2。然而, 传统的硅功率器件的效率、开关速度以及最高工作温度已逼 近其极限, 使得宽禁带半导体氮化镓(GaN)成为应用于功率管理的理想替代材料。相对于 传统硅技术, GaN 电子器件具有更高的开关速度, 更高的阻断电压, 更低的导通损耗, 以及 更高的工作温度等35。虽然 GaN 分立高压功率器件(包括功率整流器和功率开关器件)被35广泛研
6、究, 但对 GaN 功率集成技术的探索却相对缺乏。高度集成化的 GaN 功率管理系统将 实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。本文报道了一种 GaN 功率集成技术, 该技术采用氟(F)等离子体注入技术实现常关型 导电沟道,单片集成了增强型高压功率开关器件、高压功率整流器、低压耗尽型 AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)、低压增强型 AlGaN/GaN HEMT、SBD 二极管和横向场控二极40管(L-FER)等器件,从而能够实现智能功率集成所需的功率模块和各种控制单元模块。基金项目:高等学校博士学科点专项科研资助课题(20090185120021)
7、;国家自然科学基金(61274090)作者简介:陈万军(1978-),男,副教授,主要研究方向:硅基和氮化镓基功率器件及集成技术. E-mail:wjchen- 6 -1GaN 功率集成工艺技术图 1 为所开发的 GaN 功率集成技术平台的横截面图6,7。在图 1 中包括了高压功率器件(功率开关器件和功率整流器)、低压耗尽型 AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管) 和增强型 AlGaN/GaN HEMT、二极管(肖特基二极管 SBD 和横向场控二极管 L-FER),从45而能够实现功率集成所需功率模块和控制单元模块。该工艺的关键在于增强型 HEMT 的实 现及其阈值电压的调节和控制
8、。香港科技大学率先报道了氟等离子体注入技术,该技术通过 等离子体(或离子注入)的方法将氟(F)离子注入到肖特基栅下的 AlGaN 层内,由于注入 的氟离子具有极强的电负性且带负电,它将抬升 AlGaN 层与 2DEG 沟道附近的势垒,从而 耗尽肖特基栅下面的 2DEG 导电层,形成常关型沟道。研究结果表明通过调节等离子体处理50功率和时间可有效的实现对器件阈值电压的控制8。该工艺与常规耗尽型 HMET 工艺兼容, 有利于实现 E/D-Mode HEMT 的集成,简化各种控制单元的拓扑结构(类似于硅工艺中的 NMOS 和 PMOS)。在基于氟等离子体处理技术上,陈万军等人提出了便于集成的高性能
9、横向功率整理器(L-FER),该结构通过肖特基栅控 2DEG 沟道,使得器件的开启电压由沟 道的阈值电压(场控)决定而不再受肖特基势垒高度的影响,解决了传统 SBD 功率整流器55中对阳极金属选择的矛盾。该器件不仅具有高压、高速、低功耗等优点,而且还与 AlGaN/GaN HEMT 功率开关器件工艺兼容等特点。与此同时,由于该器件具有极低的正向开启电压, 能够用在各种控制单元中而替代 SBD 二极管以降低正向导通损耗9。PERIPHERAL DEVICESS G DS G D C A C ACPOWER DEVICESS G DAC2DEG F-GaNSilicon SubstrateD-mo
10、deHEMTE-modeHEMTSBDL-FERPower Normally-offHEMTPower L-FERAlGaNSi3N4Ohmic MetalSchottky Metal图 1 GaN 功率集成技术2DEGGaNSilicon Substrate2DEGGaNSilicon Substrate60AlGaNAlGaNOhmic Metal(a)(b)CF4 Plasma Treatment-2DEG FGaNSilicon Substrate2DEG F-GaNSilicon SubstrateAlGaN PhotoresistOhmic MetalAlGaNOhmic Meta
11、lSchottky Metal(c)(d)S G DS G D C A CA CS G D AC2DEG F-GaNSilicon Substrate-2DEG FGaNSilicon SubstrateAlGaNOhmic MetalSchottky MetalAlGaNSi3N4Ohmic MetalSchottky Metal65(e)(f)图 2 GaN 功率集成主要工艺,(a)台阶隔离;(b)欧姆接触;(c)F 离子处理;(d)增强型栅制作;(e)耗尽型栅制作;(f)钝化层其集成工艺主要流程如下:1) 用 Cl2/He 等离子体刻蚀台阶进行有源区隔离。通过该工艺, 可以形成多种器件结
12、构70的有源区, 如图 2 (a)所示;75808590951002) 淀积 Ti/Al/Ni/Au (20/150/50/80 nm)金属层并在 850 C 高温下退火 30 秒形成欧姆接触,如图 2 (b)所示;3) 利用光刻胶作掩模, 对增强型(常关型)AlGaN/GaN HEMT 和 L-FER 等器件的肖 特基栅区域同时进行氟离子注入以形成常关型导电沟道, 如图 2 (c)所示。注入的氟离子能 耗尽肖特基栅下的 2DEG, 实现沟道从常开型向常关型的转变;4) 在 CF4 等离子体处理后, 直接淀积肖特基栅金属(Ni/Au)并剥离, 然后进行高温退 火以修复等离子体处理所致的缺陷和陷
13、阱, 如图 2 (d)所示。对于整流器 L-FER 而言, 该肖 特基金属将肖特基接触和欧姆接触电气连接以形成整流器的阳极。对于在 HEMT 而言, 肖 特基金属形成 HEMT 的肖特基栅。结合前步工艺可知, 等离子体处理和肖特基栅金属的淀 积是采用同一光刻胶, 因此是自对准工艺, 确保了器件的正常工作;5) 淀积肖特基栅金属(Ni/Au)并剥离, 制作耗尽型 AlGaN/GaN HEMT 的栅电极和 SBD阳极等,如图 2 (e)所示;6) 生长 Si3N4 作钝化层, 如图 2 (f)所示。2器件性能实验所采用衬底为商用硅衬底 Al0.26Ga0.74/GaN HEMT 晶圆。外延层包括
14、GaN 缓冲层、 薄 AlN 表面增强层、18 nm 未掺杂 AlGaN 层和未掺杂 2 nm 的 GaN。 晶圆原始方块电阻 为 320 欧姆/平方米, 2DEG 电子浓度为 1800 cm2/Vs, 夹断电压为-2.1 V, 欧姆接触电阻为1.0 .mm。在淀积肖特基栅金属之前, 在该区域进行 CF4 等离子体处理, 其处理条件为 130W 150s。该注入的负电荷能有效地消耗 2DEG 导电层, 实现沟道夹断电压从-2.1V 到0.5V 的转变。然后进行 400 C 10 分钟的高温退火以修复等离子体处理所致的损伤和缺陷。而耗 尽型肖特基栅金属直接淀积在 AlGaN 表面而未处理经过 C
15、F4 等离子体。最后, 采用 PECVD 生长 300 nm 的氮化硅钝化层。2.1低压器件测试结果低压器件主要用于实现功率集成电路中的各种控制单元模块, 而增强型 HEMT 有利于 简化各种控制单元的拓扑结构。在器件结构上, 增强型 HEMT 与常规 HEMT(耗尽型)区 别在于通过 F 等离子注入技术在其肖特基栅下引入 F 离子以实现常关型沟道。图 3(a)和(b)分别是采用本工艺实现的耗尽型 HEMT 和增强型 HEMT, 从图 3(a)可知, 当器件栅 源距离 LGS 为 1.5 m, 栅长 LG 为 1.5 m, 栅漏距离 LGD 为 1.5 m 时, 在栅电压为 2 V、漏极 电压
16、为 10 V 时最大漏极电压为 760 mA/mm, 最大跨导为 220 mS/mm。在图 3(b)所示的增 强型 HEMT 测试结果中, 当器件栅源距离 LGS 为 1 m, 栅长 LG 为 1m, 栅漏距离 LGD 为 2 m 时, 该器件阈值电压为 0.5 V, 在栅电压为 2.5 V 时最大漏极电压为 400 mA/mm, 最大跨导为200 mS/mm。1000V =2 VV =10 V(a)250I (mA/mm)500250800600GSDS1 V0 V200G (mS/mm)150400300V =2.5 VGS2.0 VV =10 VDS(b)200150I (mA/mm)D
17、400200-1 V-2 VV =-2.1 Vthm10050D2001001.5 V1.0 V0.5 VV =0.5 VthG (mS/mm)m1005000 3 6 9 -4 -2 0 2 000 3 6 90-2 -1 0 1 2V ( V )DSV ( V )GSV ( V )DSV ( V )GS105图 3 低压 AlGaN/GaN HEMT 测试结果,(a)耗尽型;(b)增强型图 4(a)和(b)分别为 SBD 和场控二极管 L-FER 输出特性。从图中可见, L-FER 器件 具有更低的正向压降, 而且其正向压降可以通过调整氟等离子体处理的时间和功率进行调 节。两种结构具有不同
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