优化刻蚀以改善垂直型氮化镓功率电子器件的选区掺杂
2020/6/8 16:48:21
多步刻蚀工艺可大幅降低选区掺杂中再生长氮化镓p-n结的漏电流
作者: 付厚强, 付凯, 赵宇吉, 亚利桑那州立大学
氮化镓是用于制备高功率电力电子器件的绝佳材料，因为它的带隙是硅的三倍，它的临界电场是硅的十倍。由于氮化镓这些优异的材料特性，在相同材料厚度情况下，氮化镓器件可以实现比硅器件更高的击穿电压。另一种等效的表述是，在实现相同击穿电压情况下，氮化镓器件需要比硅器件更少的材料。另外，氮化镓器件还具有导通电阻低和开关速度快的优点，都体现在氮化镓的各种高优值中（见表1）。这些优异的材料性能必须能被功率电子器件所利用，并提升它们在各种实际应用中的效率，比如电网，电动汽车，可再生能源，数据中心，无线充电，以及消费电子产品。然而，构造高性能的氮化镓器件绝非易事，关键在于使用合适的器件结构。
表1. 硅，碳化硅和氮化镓的材料性能和功率电子器件优值。Eg ：带隙；ε：介电常数；µ：迁移率；K：导热系数；Vsat ：饱和速度；EC：临界电��；BFOM：Baliga优值；BHFFOM：Baliga高频优值；JFOM：约翰逊优值。硅的优值被归一化到1，以便于比较。
开始，氮化镓功率电子器件集中在水平型器件（如高电子迁移率晶体管HEMT），它们主要生长在异质衬底上。采用这种结构，击穿电压横向保持，电流横向流动。然而，这种水平型器件并不是理想的功率电子器件。首先，表面态会导致器件性能下降，并引起可重复性和可靠性问题。此外，器件工作产生的热量集中在非常窄的沟道区域，从而引起器件温度上升。而且更高的击穿电压需要更大的芯片面积，妨碍器件的可扩展性。
为了解决这些问题，我们在亚利桑那州立大学的研究团队致力于开发高性能同质衬底上的垂直型氮化镓功率电子器件。此架构的一个优点是，它使用同质外延生长，可以显著减少材料缺陷密度，从而提升器件性能，因为材料缺陷会减小击穿电压和增加漏电流。此外，垂直型器件的几何结构还提供以下优点：更高的击穿电压和正向工作电流，而不会增加芯片面积；更好的可扩展性和散热性；不受表面态的影响。这种垂直型器件的一个潜在劣势在于氮化镓衬底的高成本。但是，这些年来，氮化镓衬底的产量一直在稳定增长，六英寸的大尺寸衬底也开始出现，并且由于氮化镓功率电子和光电器件（例如激光二极管）的市场份额进一步扩大，氮化镓衬底的价格预计将会继续下降。
氮化镓垂直型功率电子器件的结构可以划分成四个区域：缓冲层，漂移层，沟道层和边缘终端区（见图1）。针对每一个区域，我们都制定了相应的策略去提高器件性能。对于沟道层，我们正在研究的是选区掺杂，这是一个正在进行的研究热点。
图1. 氮化镓衬底上的垂直型功率器件简化截面图。ET表示边缘终端。
掺杂的挑战
为了实现高性能氮化镓功率电子器件，选区掺杂是一个必须克服的巨大障碍。这种掺杂的目的是形成水平结构的p-n结（见图2a）， 它是制造各种氮化镓功率电子器件所必须的，包括：结势垒肖特基二极管或合并pn/肖特基二极管（见图2b）和垂直型结场效应晶体管（见图2c）。这些结构在硅和碳化硅中是通过离子注入产生的，但是在氮化镓中却没有被实现。
其中有两个原因可以解释为什么在氮化镓中实现离子注入非常具有挑战性，特别是实现p-型氮化镓。第一，离子注入后需要热退火处理，以激活注入的原子和恢复离子轰击引起的晶体损伤。为了退火，通常温度要超过1200℃，但氮化镓在约900℃就开始分解。第二，为了减轻氮化镓在高温下的分解，研究人员尝试了氮化铝覆盖层，多周期快速热退火和超高压退火等方法，但离子注入所形成的p-型氮化镓的电导率仍然非常低，这对于功率电子器件来说是远远不够的。
图2.（a）选区掺杂p-n结示意图。（b）结势垒肖特基二极管或合并pn/肖特基二极管。（c）垂直型结场效应晶体管。
为了克服这一障碍，我们利用再生长的方法去实现选区掺杂的p-n结。这种方法可以产生高电导率的p-型氮化镓，而不必担心高退火温度和氮化镓分解的问题。目前该工艺仍然是实现氮化镓选区掺杂的最重要和最有希望的方法之一。在再生长过程中，至关重要的事情是要确保选区掺杂的p-n结的反向漏电流不能过大，否则会限制功率电子器件的击穿电压和增加功率转换损耗。我们的研究揭示该漏电流的两个重要因素：再生长界面的表面污染，如杂质硅，氧和碳（由二次离子质谱法鉴定）; 电感耦合等离子体刻蚀引起的刻蚀损伤-该刻蚀方法是氮化镓器件制造过程中广泛使用的干法刻蚀技术。
为了获得选区掺杂的p-n结（见图2a），我们可以通过刻蚀选择性地除去部分n-型氮化镓,该步骤将形成用于随后的p-型氮化镓再生长的沟槽。然而，这个过程会令实验和分析变得复杂，因为这会使两个界面被暴露，漏电流将从两个方向上流过。而且，这种方法很耗时。为了减低实验复杂性，并获得缩短实验周期，在下面的实验中我们使用平面的再生长p-n结（见图3）。这些p-n可以提供一个测试结构来获得关于再生长的基础知识，如等离子体刻蚀和表面处理的影响。
图3. 再生长的p-n结的生长和制造过程。该结构在（0001）氮化镓衬底上同质外延生长。它由重掺杂n-型氮化镓缓冲层，非故意掺杂（UID）漂移层，干法刻蚀和表面处理，薄插入层和再生长的p-型氮化镓的组成。p-n结制备包括用于阳极和阴极金属，台面隔离和边缘终端。
评估刻蚀损伤
在第一组实验中，在不进行任何表面处理的情况下，我们将两个样品共同装载到MOCVD反应室进行再生长。使用这种方法，我们将非刻蚀样品与经过70瓦功率的等离子体刻蚀的样品进行了比较。这两个样品都具有较大的反向泄漏电流，这说明在再生长之前需要合适的表面处理。
为了实现这一目标，我们将紫外线臭氧和酸表面处理相结合。前者利用强大的氧自由基氧化表面和有机残留污染物。这种处理的优点在于它是纯化学的，因此没有等离子体放电造成的损伤。相比而言，电感耦合等离子体刻蚀会发生离子轰击，这可能导致材料损坏并降低器件的电学特性。经过紫外线臭氧处理后，将两个样品均浸入氢氟酸和盐酸中，以去除氧化物质并进一步清洁表面。电学测试结果表明非刻蚀样品的反向漏电流大幅减少，但是，刻蚀样品的反向漏电仍然很大（见图4）。我们提出一种理论去解释这种明显的差异：在刻蚀样品中，刻蚀损坏非常严重以致无法通过表面处理进行修复。
图4. 经过和未经过表面处理（a）非刻蚀样品和（b）刻蚀样品的反向电流-电压特性。再生长之前，非刻蚀的样品未经过等离子体刻蚀，刻蚀样品经历过70瓦功率的等离子体刻蚀。70瓦功率的刻蚀速率在200-300纳米/分钟，对于大多数器件制造工艺来说是合理的刻蚀速率。高功率快刻蚀会导致更强的离子轰击和更严重的刻蚀损伤。
为了验证该理论，我们进行了另一组实验，把刻蚀功率降低到仅有5瓦，这会减慢刻蚀速度和降低刻蚀损伤。我们比较连续生长样品（未被刻蚀）和三个刻蚀样品的反向漏电流。其中两个刻蚀样品进行5瓦功率的刻蚀，并分别有25纳米和50纳米的插入层，第三个样品在70瓦功率下刻蚀。这三个样品都接受了上面提到的相同的表面处理。测试结果表明低功率慢刻蚀可以显著地降低反向漏电流，并且，插入层使p-n结远离再生长界面，从而进一步降低反向漏电流（见图5）。对于具有5瓦刻蚀功率和50纳米插入层的刻蚀样品，反向漏电流低于非刻蚀样品的反向漏电流，并且与连续生长样品相似。该系列实验的主要结论是，低功率慢刻蚀和适当的表面处理相结合对于再生长非常有效。
一个急需解答的重要问题是：什么真正导致了这些样品之间反向漏电流的差异？为了找到答案，我们必须仔细研究再生长界面。电荷密度是可以显著影响再生长界面和最终的反向漏电流的关键变量之一。测试结果表明，界面电荷密度越高，反向漏电流越大（见图6）。连续生长样品具有低的恒定电荷分布，约为1016 cm−3，而再生长样品的再生界面峰值电荷密度在1017-1021 cm−3的范围内。测试结果还表明，低刻蚀功率降低了再生长界面的电荷密度，并减小了漏电流。高密度的界面电荷对器件有着严重的影响，这些电荷可以在再生界面上产生一个大的电场，并帮助载流子隧穿p-n结中的势垒，从而大大增加漏电流。
图5. 非刻蚀样品和不同刻蚀样品的反向电流-电压特性。功率表示等离子体刻蚀功率，厚度表示插入层的厚度。5瓦的刻蚀功率对应于约20纳米/分钟的刻蚀速率。
图6. 图5中测量的五个样品在-600 V时的再生长界面处的电荷密度（直方图）和反向漏电流（线形）。电荷密度是从电容-电压测量中提取的。
多步刻蚀
尽管低功率慢刻蚀可提供最佳结果，但并非总是可行的，比如对于具有深沟槽和台面的某些器件结构来说是非常耗时的。为了解决这个问题，我们使用了多步刻蚀工艺，将刻蚀功率从70瓦降低到35瓦，然后降低到5瓦，最后降低到仅2瓦。这种多步刻蚀工艺也十分有效，再生长样品显示极低的反向漏电流和最高的击穿电压–超过1.2 kV（图7a），而且刻蚀速率也得到保证。这种多步刻蚀工艺的另一个好处是，它可以产生良好的再生长表面。我们已经知道70瓦的刻蚀功率产生不理想的再生长表面。在多步刻蚀工艺中，低功率慢刻蚀可能扮演一个修复高功率刻蚀损伤的角色。
另外，我们需要确保多步刻蚀工艺不会影响再生长p-n结的正向特性。测试结果表明（图7b），该样品表现出优异的正向整流性能，开关比（on-off ratio）约为1010，导通电阻为0.8mΩ·cm2。另一个可用于评估p-n结性能的参数是理想因子（ideality factor）。该样品的理想因子在2.0左右，与先前报告的再生长p-n结的值相称，并且接近连续生长样品的值，在1.5-1.8之间。
图7.（a）非刻蚀样品，单步刻蚀样品和多步刻蚀样品的反向电流-电压特性。所有样品均经过相同的表面处理。（b）多步刻蚀样品的正向电流-电压特性和样品的理想因子。
图8. 连续生长和再生长p-n结二极管的导通电阻与击穿电压的比较图。
Baliga优值是另一个可以用来比较再生长的p-n二极管性能的参数。我们这些器件的优值为2.0 GW/cm2。这非常接近碳化硅的材料极限，甚至可以与某些连续生长的p-n结二极管相媲美（图8）。鉴于氮化镓的选区掺杂仍处于起步阶段，该结果非常有参考和借鉴意义。等离子体刻蚀工艺，表面处理和器件制备的改进会进一步推动氮化镓再生长p-n结的性能接近氮化镓的材料极限。
简而言之，我们的结果表明：可以通过外延再生长产生高性能的再生长p-n结。下一步是将获得的再生长基础知识应用于在沟槽里的选区掺杂。这些工作将为改善氮化镓功率电子器件的性能做出重大贡献，并帮助提升社会的能源利用效率。
扩展阅读
K. Fu et al. Appl. Phys. Lett. 113 233502 (2018)
K. Fu et al. IEEE Electron Device Lett. 40 1728 (2019)
H. Fu et al. Appl. Phys. Express 11 111003 (2018)
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