生产常关型射频 HEMT

等离子体处理和湿法蚀刻产生 RF GaN HEMT

台湾国立阳明交通大学的一个团队声称，已经使用数字蚀刻技术生产了第一个常关型 GaN HEMT。

根据该团队的发言人 Ping-Yu Tsai 的说法，RF器件受益于常关操作，因为它们只需一个正电压即可驱动。“这可以降低IC设计的复杂性并节省系统模块的功耗，因为器件在不运行时不会消耗能量，”Tsai补充道。

有几篇报道称，使用数字蚀刻可以使尺寸较大的功率 HEMT 栅极凹陷。 Tsia 及其同事认为，他们是第一个将这种技术应用于射频 HEMT 的团队，这是一个新的突破。

“我们使用这种方法来控制具有很小栅极长度的射频 HEMT 的栅极凹槽，”Tsai 解释说。通过提供对蚀刻深度的良好控制，该团队展示了 E 模式器件和射频特性。

实现高质量的栅极蚀刻并非易事，需要精确控制蚀刻深度，同时确保低表面损伤和良好的均匀性。栅极蚀刻往往涉及使用由氯气或 BCl₃ 形成的等离子体，但这两种选择都会促进栅极表面的损伤，并最终损害器件的性能和可靠性。

为了提高栅极蚀刻质量，Tsai 和同事转向了两步数字蚀刻。为了在器件生产之前优化该方法，他们首先研究了表面化学和蚀刻速率对 AlGaN/GaN 异质结构的影响，该结构包括缓冲层、未掺杂的 GaN 沟道、1 nm 厚的 AlN 间隔层和 22 nm厚的Al_0.22Ga_0.78N阻挡层。

在向这种异质结构添加 SiN 硬掩模，并通过光刻和氟基电感耦合等离子体蚀刻对其进行图案化后，该团队使用两种不同的技术对晶片进行氧化：在过氧化氢中暴露5 分钟；以及使用在一定射频功率范围内运行的电感耦合等离子体系统，在氧等离子体中氧化晶片。这两种方法都采用了相同的第二步：在稀释的 HCl 中进行 90 秒的数字蚀刻，以去除氧化物产物。

原子力显微镜测量显示，每个周期的蚀刻深度具有良好的线性（见图）。使用 40 W 和 0 W 的射频功率，氧等离子体处理的平均蚀刻速率分别为每周期2.5 nm 和每周期0.5 nm。使用过氧化氢的工艺，在每个周期中产生的蚀刻深度接近 0 nm。基于这些发现，进一步的研究仅限于使用氧等离子体处理。

X 射线光电子能谱发现，在经过等离子体处理的样品中存在一个与氧相关的强峰。将样品浸入 HCl 后，该峰值的强度急剧下降，表明该步骤提供了良好的氧化物去除效果。

1 µm × 1 µm 区域的原子力显微镜显示，经过三次数字蚀刻周期后，AlGaN 表面在 40 W 和 0 W 处理下的均方根粗糙度分别为 0.10 nm 和 0.09 nm。用氯等离子体蚀刻将粗糙度增加到 0.49 nm。

该团队使用三种蚀刻工艺生产了栅极长度为 110 nm 的 HEMT：一个周期，0 W 偏压；六个周期，40 W 偏压；和八个周期，40 W 偏压。使用 5 V 漏极偏压的测量结果表明，增加循环次数，从而增加蚀刻的材料量，会导致漏极电流和跨导降低，同时阈值电压也会发生变化从 -2.7 V 增加到 0 V，然后是 0.4 V。正阈值电压对于常关操作至关重要，但会以漏极电流和跨导为代价，这是因为产生了非常薄的 AlGaN 势垒层，几乎确保了二维电子气的耗尽。

Tsai说，该团队现在可能会改进其技术以用于更大的晶圆，从而可以将其应用于具有良好均匀性的射频器件的大批量生产。

参考资料

P. -Y. Tsai et al. Appl. Phys. Express 14 126501 (2021)