IEEE：顶部金刚石在 AlGaN/GaN HEMTs 中作为钝化层与热扩展层双重作用|pcd|信号|显微|电阻|色散|金刚石

论文信息：

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

论文链接：

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

Part.1

研究背景

AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于宽禁带以及在异质结处形成的高迁移率高密度二维电子气（2DEG），已成为射频电子学的主流器件技术。尽管其理论电学性能优异，栅极沟道内的自热仍是限制输出功率密度（Pout）提升与频率扩展的主要瓶颈之一。

为解决器件级热管理问题，本研究此前开发了低温（≤450 °C）、高导热（~400–500 W/m/K）的多晶金刚石（PCD）顶部与全包覆集成生长工艺，并在近期工作中证明 PCD 集成可在不损伤器件完整性的条件下有效冷却 2DEG 沟道。随之产生的问题是：顶部 PCD 热扩展层能否同时作为表面钝化层以抑制 DC-RF 色散。Ga 极性 HEMTs 缺乏固有钝化而依赖外加介质层（例如 CVD SiNx）抑制色散；但从热角度看，SiNx 导热率较差，会在与顶部 PCD 组合时引入声子传输障碍并限制散热。减薄 SiNx 可缩短 PCD 到沟道热点的距离并增强冷却，但过度减薄会削弱钝化能力并加剧 DC-RF 色散。基于此，本研究展示：在单独作为钝化层并不足够的超薄（~10 nm）SiNx 之上生长顶部 PCD，可有效抑制 DC-RF 色散，同时获得热管理与表面钝化的双重收益。

Part.2

研究内容

本研究对象为完全制备完成后的 AlGaN/GaN HEMTs，在器件表面生长低温（≤450 °C）多晶金刚石（PCD），使其同时充当表面钝化层与热扩展层。器件采用电子束曝光定义 200–300 nm 栅长（LG），并进行 SiNx recess 刻蚀以获得约 10 nm 超薄 SiNx；源/漏欧姆接触采用 Ti/Al/Ni/Au 金属体系并在 850 °C、45 s 退火；T 型栅采用 Ni/Au；在 PCD 沉积前进行深隔离刻蚀以移除非有源区 GaN 体层以降低 PCD 到 SiC 热沉的热阻；PCD 厚度约 1–1.5 µm，随后通过 ICP-RIE 开 pad 窗。表征包括：DC 与脉冲 I–V、门极电阻测温（GRT）评估沟道温度随直流功率密度变化、小信号 S 参数提取 |h21|² 与 U 并得到 fT/fmax，以及 10 GHz CW 大信号负载牵引测量 Pout 与 PAE；图像/数据按顺序用于展示：PCD 前后热通路示意、工艺流程、栅凹陷与 SiNx 厚度确认、PCD 覆盖形貌与截面、DC 传输特性与器件外观、输出特性与接触电阻变化、GRT 标定与自热测量、DC-RF 色散对比、小信号增益对比以及大信号负载牵引结果。

图 1 器件的截面示意图：（a）PCD 钝化之前；（b）PCD 钝化之后。PCD 钝化增强了热点处的热耗散，使热量能够在向上与向下两个方向更高效地流动

在未集成 PCD 的情况下，栅极漏侧边缘附近产生的热量主要沿下行路径通过 GaN 外延层传导至 SiC 衬底（热沉）。集成全包覆 PCD 后，结构引入额外的并联散热通路与热扩展作用，使热点热量不仅向下传导，也可通过顶部 PCD 向上扩散并参与散热，从而增强对热点的热抽取能力。

图 2 PCD 钝化 AlGaN/GaN HEMT 的器件制备流程。低温 PCD 工艺使“先器件后 PCD”的器件优先（device-first）路线成为可能，从而允许将 PCD 集成作为最终步骤

栅指通过电子束曝光定义，随后进行 SiNx recess 刻蚀；MESA 采用 BCl3/Cl2 基 ICP-RIE 刻蚀约 350 nm；源/漏欧姆接触金属堆栈为 Ti（20 nm）/Al（120 nm）/Ni（30 nm）/Au（60 nm），并在 850 °C、45 s 快速热退火；T 栅金属堆栈为 Ni/Au（30/300 nm）；沉积 π-feed GSG pad。PCD 沉积前进行深隔离刻蚀以在非有源区完全移除 GaN 体层，从而最小化 PCD 与 SiC 热沉之间热阻；随后在 ≤450 °C 条件下通过微波 CVD 沉积约 1–1.5 µm PCD，并通过 O2/Ar/CF4 基 ICP-RIE 打开 pad 区域。

图 3 （a）SiNx recess 刻蚀后栅凹陷区域的 SEM 显微图，确认 LG 为 200 nm。（b）凹陷区域的 AFM 深度剖面，指示 SiNx 厚度约为 ~10 nm；该厚度不足以有效抑制 DC-RF 色散

该器件采用 SiNx recess 工艺形成超薄 SiNx 层，并通过 SEM 与 AFM 对栅长与 SiNx 厚度进行确认。所得到的 ~10 nm SiNx 被明确指出为“单独不足以有效抑制 DC-RF 色散”的厚度水平，从而为后续引入顶部 PCD 作为补充钝化层与热扩展层提供工艺与物理基础。

图 4 所制备 AlGaN/GaN HEMT（LG = 200 nm，LSD = 2.5 µm）的顶视 SEM 显微图：（a）PCD 钝化之前；（b）栅指区域放大图，显示相邻的源/漏合金化接触；（c）PCD 钝化之后；（d）栅指区域放大图，显示被 PCD 晶粒覆盖的栅指区域。图（c）与（d）确认 PCD 在整个器件（包括栅指区域）上的均匀覆盖。（e）栅金属区域的 FIB-SEM 截面图像，显示顶部 PCD 层在无空洞的情况下均匀包覆栅金属

PCD 沉积后的形貌表征用于确认 PCD 作为最终步骤集成时对已完成器件结构的覆盖完整性。顶视与局部放大图显示 PCD 晶粒覆盖栅指区域且覆盖均匀；FIB 截面图进一步确认 PCD 以约 1–1.5 µm 厚度包覆栅金属并无空洞，从而支撑后续对“与器件操作完全兼容”的电学表征前提。

图 5 （a）半对数坐标下 ID、|IG| 随 VGS 变化，（b）线性坐标下 ID、Gm 随 VGS 变化，（c）π-feed GSG 器件在 PCD 沉积前（上）与 PCD 沉积后（下）的光学显微照片。PCD 沉积后通过 ICP-RIE 打开 pad 接触区域

PCD 前后 π-feed RF 器件的 ID–VGS 特性对比显示：在 VGS = −5 V、VDS = 5 V 时，门极漏电流 IG 由 0.19 µA/mm 增至 4.39 µA/mm，但仍处于可接受范围以支持正常 RF 器件运行。跨导与电流的 VGS 依赖在 PCD 后仍保持可用。光学照片显示 pad 区域在 PCD 沉积后通过 ICP-RIE 开窗以恢复探针接触。

图 6 （a）ID 随 VDS 变化，以及（b）源/漏合金化欧姆接触（Ti/Al/Ni/Au）在 PCD 钝化前（黑色）与钝化后（蓝色）的 TLM 分析。（c）本研究所用片上 TLM 结构在 PCD 沉积前（上）与沉积后（下）的光学显微照片

输出特性显示 PCD 后导通电阻 Ron 仅有轻微增加；该变化部分来自接触电阻 RC 的轻微增加：RC 由 ~0.42 Ω·mm 增至 ~0.51 Ω·mm。2DEG 片电阻在 PCD 后保持不变。片上 TLM 结构用于完成上述接触电阻与片电阻提取。

图 7 （a）PCD 沉积前（黑色）与沉积后（蓝色），在 25 °C 到 200 °C（每 25 °C 一步）的温度范围内的 RG 标定结果。（b）PCD 沉积前与（c）沉积后测得的输出特性，同时由于自热导致 RG 发生变化。（d）估算的平均沟道温度随直流功率密度变化，显示 PCD 沉积后温度明显降低。GRT 器件尺寸为 LG = 250 nm，LSD = 5 µm，W = 100 µm（单指）

门极电阻测温（GRT）用于评估沟道温度与功率耗散的关系。RG 在 25–200 °C 范围内标定得到温度系数：PCD 前 α 为 2.82×10⁻³ °C⁻¹，PCD 后 α 为 6.48×10⁻⁴ °C⁻¹；同时，25 °C 下的 RG 由 ~30 Ω 增至 ~108 Ω，该变化被归因于 PCD 工艺期间 Ni/Au 栅金属堆栈中的金属互扩散。

在自热测试中，VDS 从 0 V 扫至 40 V，并在栅电极两端施加 10 mV 偏置以同时监测 RG；RG 通过标定关系换算为温度。结果显示：在 ~4 W/mm 时平均沟道温度下降约 ~12 °C，在 ~18 W/mm 时下降约 ~55 °C，表明 PCD 具有显著冷却效应。

图 8 DC-RF 色散特性：（a）PCD 钝化前与（b）PCD 钝化后，在静态点（−4 V，10 V）下测得。（c）在更严苛静态偏置（−3 V，20 V）条件下，PCD 钝化后的 DC-RF 色散，以及脉冲 I–V 测量装置示意（插图）。（d）在 Pout,DC = 18 W/mm 时，IKnee 色散随 ΔT 的变化。SiNx 钝化数据[5]在相同脉冲测量条件（栅脉冲：600 ns，漏脉冲：800 ns，周期：5 ms）且静态偏置（−4 V，12 V）下获得

脉冲 I–V 用于表征 DC-RF 色散。测量使用栅脉冲 600 ns、漏脉冲 800 ns、周期 5 ms，并在静态点（VGS,Q，VDS,Q）=（−4 V，10 V）下对比 PCD 前后输出特性。PCD 前器件表现出显著色散：在脉冲条件下出现约 ~30% 的膝点电流（Iknee）降低，并伴随明显的膝点电压（Vknee）走移，该行为与严重表面陷阱效应相关。PCD 后色散被显著最小化：Iknee 降低仅 ~5%，Vknee 走移可忽略，表明 PCD 层可有效抑制表面陷阱效应。

图 9 栅长 LG 为 200 nm、LSD 为 3 µm 的器件在 PCD 前（黑色）与 PCD 后（蓝色）的小信号增益随频率变化

偏置相关 S 参数测量用于提取小信号增益，矢量网络分析仪采用 SOLT 标定，并使用片上 open/short GSG pads 去嵌入。于最大跨导偏置点（VGS = −2 V，VDS = 5 V）测得：两种器件的截止频率 fT 均保持在 ~52 GHz；尽管 PCD 增加寄生电容，其对 fT 的影响被“减少表面陷阱并缓解 DC-RF 色散”的效应所补偿。另一方面，最大振荡频率 fmax 在 PCD 后由 ~138 GHz 降至 ~102 GHz；该降低被归因于 RG 增加，从而需要进一步研究在 PCD 过程中更稳健的栅金属方案。

图 10 10 GHz 连续波（CW）大信号负载牵引结果：器件（a）无 PCD 集成与（b）有 PCD 集成。被测器件尺寸为 LG = 200 nm，LSD = 2.5 µm。两种情况下源端与负载端条件分别为 ΓS = 0.5186 + j0.5167（|ΓS| = 0.804，∠ΓS = 49.87°）与 ΓL = 0.8188 + j0.1957（|ΓL| = 0.842，∠ΓL = 13.45°）

在 10 GHz CW 条件下进行大信号负载牵引。器件以 Class-AB 工作并具有名义静态电流 100 mA。结果显示，在 VDS = 26 V 时，PCD 后 Pout 与功率附加效率（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%，且增益压缩（gain compression）更小。由于该输出功率水平不足以引起显著自热（例如基于图7 的 GRT，在 ~4 W/mm 时 ΔT ~12 °C），因此该改进主要归因于 PCD 的表面钝化效应；并指出对于为更高 VDS 与更高 Pout 设计的场板器件，PCD 的冷却效应应在大信号性能指标中更为突出。

Part.3

研究总结

本研究首次证明顶部 PCD 层可有效抑制 GaN HEMTs 的 DC-RF 色散，使 DC 与脉冲输出特性之间的 Iknee 色散由 ~30% 降至 ~5%。除钝化功能外，PCD 层还在 18 W/mm 时将平均沟道温度降低约 ~55 °C（由 GRT 确认）。这些结果表明顶部 PCD 可作为同时推进热管理与电学可靠性的双功能方案，用于下一代 RF GaN HEMTs。

Demonstration of the Dual Role of Topside Diamond as a Passivation Layer and Heat Spreader in AlGaNGaN HEMTs.pdf

欢迎关注公众号 “芯片散热”投稿邮箱：chipheat@163.com