蒸汽退火增强InP HEMT性能

采用蒸汽退火工艺制作的具有超薄Al₂O₃栅介质层的InP HEMT在较宽的偏置范围内产生高的最大振荡频率。

来自富士通的工程师已经实现了InP HEMT在宽偏压范围内的高频性能，其制造工艺涉及对Al₂O₃栅电介质进行蒸汽退火。

这种HEMT结合了降低的栅漏电流、增加的正向击穿电压和在宽偏置范围内超过700 GHz的最大振荡频率(F_max)等优势，对移动通信的未来大有可为。

当6G最终推出时，与以前的通信标准相比，它很可能使用275 GHz至320 GHz范围的载频来提高带宽。由于在这些非常高的频率有显著的衰减，将需要具有高输出频率的放大器，而InP HEMT便可以满足这样的要求。

从其历史上看，这类HEMT一直受到大泄漏电流、低击穿电压和缺乏高线性度的限制。但富士通的器件并非如此，它用Al₂O₃栅介质克服了所有这些弱点—以宽禁带、高介电常数和高击穿电压而闻名。

为了生产这种晶体管，该团队采用InP衬底，并沉积了包括9.5 nm厚的In_0.63Ga_0.37As沟道和包括3 nm厚的载流子供应层的外延堆栈，非故意掺杂In_0.52Al_0.48As隔离层和4 nm厚的n型In_0.52Al_0.48As掺杂层。选择性湿法腐蚀形成一个栅极凹陷区，研究小组在该区域上添加了一层2 nm厚的Al₂O₃薄膜，通过原子层沉积生长。为了最大限度地减少氧化物中的缺陷，工程师们在300摄氏度下进行了1小时的蒸汽热处理。

根据其他小组的工作，在含氧环境中的热处理可以增强悬挂键的钝化，包括氧化膜中的氧空位。特别是，蒸汽的使用有望加速三甲基铝引起的Al₂O₃薄膜中碳杂质的水解。

在蒸汽退火后，研究人员通过等离子体增强CVD生长了10 nm厚的SiN钝化层，然后通过SF₆腐蚀来定义栅区。最后，它们形成了Y形的钛/铂/金接触(完整的结构见下图)。此外，该团队还制造了一种对照器件，不含氧化铝，具有肖特基栅极。

富士通的绝缘栅HEMT的栅长(L_G)、L_RS和L_RD值分别为75 nm、70 nm和150 nm。

为了检查器件在退火前后的化学键，研究小组使用傅里叶变换红外光谱学分析。蒸汽退火后，与C-C和C-O键相关的峰强度大大减弱，而与Al-O键相关的信号增强。基于这些发现，研究小组认为，蒸汽退火增强了碳杂质的水解和Al₂O₃薄膜中悬挂键的钝化。

蒸汽退火的另一个潜在后果是影响晶体管内的电子陷阱。为了确定是否有这种情况，研究小组使用传输线方法测量了他们的HEMT的方块阻。研究表明，蒸汽退火使绝缘栅HEMT的电阻从262 Ω/sq降低至211 Ω/sq。该团队将这种下降归因于碳杂质的水解和悬挂键的钝化。

对这两种器件的电学测量表明，绝缘栅HEMT具有良好的跨导特性。多亏了这一点，F_max和截止频率F_T的值在栅极偏置的情况下变化很小。当栅极偏压为0.05V时，F_max的最佳平面图出现在801 GHz处，并且在-0.5V到0.25V之间超过700 GHz。

该团队声称，其结果表明，其绝缘栅HEMT有望改善InP HEMTs的射频性能，适用于超高频应用领域。

参考文献：

Ø         S.Ozaki et al. Appl. Phys. Express 15 041001 (2022)

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