IEEE：頂部金剛石在 AlGaN/GaN HEMTs 中作為鈍化層與熱擴展層雙重作用

論文信息：

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

論文鏈接：

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

Part.1

研究背景

AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMTs）由于寬禁帶以及在異質結處形成的高遷移率高密度二維電子氣（2DEG），已成為射頻電子學的主流器件技術。盡管其理論電學性能優異，柵極溝道內的自熱仍是限制輸出功率密度（Pout）提升與頻率擴展的主要瓶頸之一。

為解決器件級熱管理問題，本研究此前開發了低溫（≤450 °C）、高導熱（~400–500 W/m/K）的多晶金剛石（PCD）頂部與全包覆集成生長工藝，并在近期工作中證明 PCD 集成可在不損傷器件完整性的條件下有效冷卻 2DEG 溝道。隨之產生的問題是：頂部 PCD 熱擴展層能否同時作為表面鈍化層以抑制 DC-RF 色散。Ga 極性 HEMTs 缺乏固有鈍化而依賴外加介質層（例如 CVD SiNx）抑制色散；但從熱角度看，SiNx 導熱率較差，會在與頂部 PCD 組合時引入聲子傳輸障礙并限制散熱。減薄 SiNx 可縮短 PCD 到溝道熱點的距離并增強冷卻，但過度減薄會削弱鈍化能力并加劇 DC-RF 色散。基于此，本研究展示：在單獨作為鈍化層并不足夠的超薄（~10 nm）SiNx 之上生長頂部 PCD，可有效抑制 DC-RF 色散，同時獲得熱管理與表面鈍化的雙重收益。

Part.2

研究內容

本研究對象為完全制備完成后的 AlGaN/GaN HEMTs，在器件表面生長低溫（≤450 °C）多晶金剛石（PCD），使其同時充當表面鈍化層與熱擴展層。器件采用電子束曝光定義 200–300 nm 柵長（LG），并進行 SiNx recess 刻蝕以獲得約 10 nm 超薄 SiNx；源/漏歐姆接觸采用 Ti/Al/Ni/Au 金屬體系并在 850 °C、45 s 退火；T 型柵采用 Ni/Au；在 PCD 沉積前進行深隔離刻蝕以移除非有源區 GaN 體層以降低 PCD 到 SiC 熱沉的熱阻；PCD 厚度約 1–1.5 μm，隨后通過 ICP-RIE 開 pad 窗。表征包括：DC 與脈沖 I–V、門極電阻測溫（GRT）評估溝道溫度隨直流功率密度變化、小信號 S 參數提取 |h21|2 與 U 并得到 fT/fmax，以及 10 GHz CW 大信號負載牽引測量 Pout 與 PAE；圖像/數據按順序用于展示：PCD 前后熱通路示意、工藝流程、柵凹陷與 SiNx 厚度確認、PCD 覆蓋形貌與截面、DC 傳輸特性與器件外觀、輸出特性與接觸電阻變化、GRT 標定與自熱測量、DC-RF 色散對比、小信號增益對比以及大信號負載牽引結果。

圖 1 器件的截面示意圖：（a）PCD 鈍化之前；（b）PCD 鈍化之后。PCD 鈍化增強了熱點處的熱耗散，使熱量能夠在向上與向下兩個方向更高效地流動

在未集成 PCD 的情況下，柵極漏側邊緣附近產生的熱量主要沿下行路徑通過 GaN 外延層傳導至 SiC 襯底（熱沉）。集成全包覆 PCD 后，結構引入額外的并聯散熱通路與熱擴展作用，使熱點熱量不僅向下傳導，也可通過頂部 PCD 向上擴散并參與散熱，從而增強對熱點的熱抽取能力。

圖 2 PCD 鈍化 AlGaN/GaN HEMT 的器件制備流程。低溫 PCD 工藝使“先器件后 PCD”的器件優先（device-first）路線成為可能，從而允許將 PCD 集成作為最終步驟

柵指通過電子束曝光定義，隨后進行 SiNx recess 刻蝕；MESA 采用 BCl3/Cl2 基 ICP-RIE 刻蝕約 350 nm；源/漏歐姆接觸金屬堆棧為 Ti（20 nm）/Al（120 nm）/Ni（30 nm）/Au（60 nm），并在 850 °C、45 s 快速熱退火；T 柵金屬堆棧為 Ni/Au（30/300 nm）；沉積 π-feed GSG pad。PCD 沉積前進行深隔離刻蝕以在非有源區完全移除 GaN 體層，從而最小化 PCD 與 SiC 熱沉之間熱阻；隨后在 ≤450 °C 條件下通過微波 CVD 沉積約 1–1.5 μm PCD，并通過 O2/Ar/CF4 基 ICP-RIE 打開 pad 區域。

圖 3 （a）SiNx recess 刻蝕后柵凹陷區域的 SEM 顯微圖，確認 LG 為 200 nm。（b）凹陷區域的 AFM 深度剖面，指示 SiNx 厚度約為 ~10 nm；該厚度不足以有效抑制 DC-RF 色散

該器件采用 SiNx recess 工藝形成超薄 SiNx 層，并通過 SEM 與 AFM 對柵長與 SiNx 厚度進行確認。所得到的 ~10 nm SiNx 被明確指出為“單獨不足以有效抑制 DC-RF 色散”的厚度水平，從而為后續引入頂部 PCD 作為補充鈍化層與熱擴展層提供工藝與物理基礎。

圖 4 所制備 AlGaN/GaN HEMT（LG = 200 nm，LSD = 2.5 μm）的頂視 SEM 顯微圖：（a）PCD 鈍化之前；（b）柵指區域放大圖，顯示相鄰的源/漏合金化接觸；（c）PCD 鈍化之后；（d）柵指區域放大圖，顯示被 PCD 晶粒覆蓋的柵指區域。圖（c）與（d）確認 PCD 在整個器件（包括柵指區域）上的均勻覆蓋。（e）柵金屬區域的 FIB-SEM 截面圖像，顯示頂部 PCD 層在無空洞的情況下均勻包覆柵金屬

PCD 沉積后的形貌表征用于確認 PCD 作為最終步驟集成時對已完成器件結構的覆蓋完整性。頂視與局部放大圖顯示 PCD 晶粒覆蓋柵指區域且覆蓋均勻；FIB 截面圖進一步確認 PCD 以約 1–1.5 μm 厚度包覆柵金屬并無空洞，從而支撐后續對“與器件操作完全兼容”的電學表征前提。

圖 5 （a）半對數坐標下 ID、|IG| 隨 VGS 變化，（b）線性坐標下 ID、Gm 隨 VGS 變化，（c）π-feed GSG 器件在 PCD 沉積前（上）與 PCD 沉積后（下）的光學顯微照片。PCD 沉積后通過 ICP-RIE 打開 pad 接觸區域

PCD 前后 π-feed RF 器件的 ID–VGS 特性對比顯示：在 VGS = ?5 V、VDS = 5 V 時，門極漏電流 IG 由 0.19 μA/mm 增至 4.39 μA/mm，但仍處于可接受范圍以支持正常 RF 器件運行。跨導與電流的 VGS 依賴在 PCD 后仍保持可用。光學照片顯示 pad 區域在 PCD 沉積后通過 ICP-RIE 開窗以恢復探針接觸。

圖 6 （a）ID 隨 VDS 變化，以及（b）源/漏合金化歐姆接觸（Ti/Al/Ni/Au）在 PCD 鈍化前（黑色）與鈍化后（藍色）的 TLM 分析。（c）本研究所用片上 TLM 結構在 PCD 沉積前（上）與沉積后（下）的光學顯微照片

輸出特性顯示 PCD 后導通電阻 Ron 僅有輕微增加；該變化部分來自接觸電阻 RC 的輕微增加：RC 由 ~0.42 Ω·mm 增至 ~0.51 Ω·mm。2DEG 片電阻在 PCD 后保持不變。片上 TLM 結構用于完成上述接觸電阻與片電阻提取。

圖 7 （a）PCD 沉積前（黑色）與沉積后（藍色），在 25 °C 到 200 °C（每 25 °C 一步）的溫度范圍內的 RG 標定結果。（b）PCD 沉積前與（c）沉積后測得的輸出特性，同時由于自熱導致 RG 發生變化。（d）估算的平均溝道溫度隨直流功率密度變化，顯示 PCD 沉積后溫度明顯降低。GRT 器件尺寸為 LG = 250 nm，LSD = 5 μm，W = 100 μm（單指）

門極電阻測溫（GRT）用于評估溝道溫度與功率耗散的關系。RG 在 25–200 °C 范圍內標定得到溫度系數：PCD 前 α 為 2.82×10?3 °C?1，PCD 后 α 為 6.48×10?? °C?1；同時，25 °C 下的 RG 由 ~30 Ω 增至 ~108 Ω，該變化被歸因于 PCD 工藝期間 Ni/Au 柵金屬堆棧中的金屬互擴散。

在自熱測試中，VDS 從 0 V 掃至 40 V，并在柵電極兩端施加 10 mV 偏置以同時監測 RG；RG 通過標定關系換算為溫度。結果顯示：在 ~4 W/mm 時平均溝道溫度下降約 ~12 °C，在 ~18 W/mm 時下降約 ~55 °C，表明 PCD 具有顯著冷卻效應。

圖 8 DC-RF 色散特性：（a）PCD 鈍化前與（b）PCD 鈍化后，在靜態點（?4 V，10 V）下測得。（c）在更嚴苛靜態偏置（?3 V，20 V）條件下，PCD 鈍化后的 DC-RF 色散，以及脈沖 I–V 測量裝置示意（插圖）。（d）在 Pout,DC = 18 W/mm 時，IKnee 色散隨 ΔT 的變化。SiNx 鈍化數據[5]在相同脈沖測量條件（柵脈沖：600 ns，漏脈沖：800 ns，周期：5 ms）且靜態偏置（?4 V，12 V）下獲得

脈沖 I–V 用于表征 DC-RF 色散。測量使用柵脈沖 600 ns、漏脈沖 800 ns、周期 5 ms，并在靜態點（VGS,Q，VDS,Q）=（?4 V，10 V）下對比 PCD 前后輸出特性。PCD 前器件表現出顯著色散：在脈沖條件下出現約 ~30% 的膝點電流（Iknee）降低，并伴隨明顯的膝點電壓（Vknee）走移，該行為與嚴重表面陷阱效應相關。PCD 后色散被顯著最小化：Iknee 降低僅 ~5%，Vknee 走移可忽略，表明 PCD 層可有效抑制表面陷阱效應。

脈沖 I–V 用于表征 DC-RF 色散。測量使用柵脈沖 600 ns、漏脈沖 800 ns、周期 5 ms，并在靜態點（VGS,Q，VDS,Q）=（?4 V，10 V）下對比 PCD 前后輸出特性。PCD 前器件表現出顯著色散：在脈沖條件下出現約 ~30% 的膝點電流（Iknee）降低，并伴隨明顯的膝點電壓（Vknee）走移，該行為與嚴重表面陷阱效應相關。PCD 后色散被顯著最小化：Iknee 降低僅 ~5%，Vknee 走移可忽略，表明 PCD 層可有效抑制表面陷阱效應。

圖 9 柵長 LG 為 200 nm、LSD 為 3 μm 的器件在 PCD 前（黑色）與 PCD 后（藍色）的小信號增益隨頻率變化

偏置相關 S 參數測量用于提取小信號增益，矢量網絡分析儀采用 SOLT 標定，并使用片上 open/short GSG pads 去嵌入。于最大跨導偏置點（VGS = ?2 V，VDS = 5 V）測得：兩種器件的截止頻率 fT 均保持在 ~52 GHz；盡管 PCD 增加寄生電容，其對 fT 的影響被“減少表面陷阱并緩解 DC-RF 色散”的效應所補償。另一方面，最大振蕩頻率 fmax 在 PCD 后由 ~138 GHz 降至 ~102 GHz；該降低被歸因于 RG 增加，從而需要進一步研究在 PCD 過程中更穩健的柵金屬方案。

圖 10 10 GHz 連續波（CW）大信號負載牽引結果：器件（a）無 PCD 集成與（b）有 PCD 集成。被測器件尺寸為 LG = 200 nm，LSD = 2.5 μm。兩種情況下源端與負載端條件分別為 ΓS = 0.5186 + j0.5167（|ΓS| = 0.804，∠ΓS = 49.87°）與 ΓL = 0.8188 + j0.1957（|ΓL| = 0.842，∠ΓL = 13.45°）

在 10 GHz CW 條件下進行大信號負載牽引。器件以 Class-AB 工作并具有名義靜態電流 100 mA。結果顯示，在 VDS = 26 V 時，PCD 后 Pout 與功率附加效率（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%，且增益壓縮（gain compression）更小。由于該輸出功率水平不足以引起顯著自熱（例如基于圖7 的 GRT，在 ~4 W/mm 時 ΔT ~12 °C），因此該改進主要歸因于 PCD 的表面鈍化效應；并指出對于為更高 VDS 與更高 Pout 設計的場板器件，PCD 的冷卻效應應在大信號性能指標中更為突出。

Part.3

研究總結

本研究首次證明頂部 PCD 層可有效抑制 GaN HEMTs 的 DC-RF 色散，使 DC 與脈沖輸出特性之間的 Iknee 色散由 ~30% 降至 ~5%。除鈍化功能外，PCD 層還在 18 W/mm 時將平均溝道溫度降低約 ~55 °C（由 GRT 確認）。這些結果表明頂部 PCD 可作為同時推進熱管理與電學可靠性的雙功能方案，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

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