張金風(fēng) 楊鵬志 任澤陽(yáng) 張進(jìn)成 許晟瑞 張春福 徐雷 郝躍

(寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710071)

1 引 言

金剛石具有禁帶寬度大(5.45 eV)、熱導(dǎo)率高(22 W/(cm·K))、 載流子遷移率高(電子4500 cm2/(V·s)、空穴3800 cm2/(V·s))等一系列優(yōu)點(diǎn),在高溫、高頻、高功率電子器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力[1?3].然而,金剛石的n型和p型體摻雜(硼和磷)在室溫下難以激活,在氫終端金剛石表面(即由C—H鍵覆蓋的表面,可由氫等離子體處理金剛石表面獲得)通過空氣吸附等效應(yīng)卻可以在室溫下出現(xiàn)空穴載流子,形成表面p型電導(dǎo)[4,5].因此,氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管( field effect transistor,FET)成為金剛石電子器件的核心結(jié)構(gòu).

單晶和多晶金剛石都可用于制備金剛石電子器件,單晶因?yàn)闆]有晶界且純度高,理論上更適合制備高性能器件,但是面積小(如4.5 mm×4.5 mm)、價(jià)格非常昂貴,故器件成本和工藝難度都相當(dāng)高.多晶較容易獲得尺寸達(dá)2英寸(1 in=2.54 cm)的晶圓,且存在晶粒直徑可達(dá)100μm以上、雜質(zhì)濃度較低的高質(zhì)量多晶材料,也可以實(shí)現(xiàn)高性能器件.目前,已經(jīng)報(bào)道的氫終端金剛石FET最大輸出電流1.3 A/mm(單晶)[6]、截止頻率fT=53 GHz(單晶)[7],最大振蕩頻率fMAX=120 GHz(多晶)[8]和1 GHz下的輸出功率密度2.1 W/mm(單晶)[9].國(guó)內(nèi)關(guān)于多晶和單晶金剛石FET研究,已報(bào)道了1 GHz微波功率特性,輸出功率密度分別為320 mW/mm和450 mW/mm[10].

FET器件在放大器中作為受控電流源,輸出電流與輸入電壓之間的比例系數(shù)為跨導(dǎo)(gm),因此跨導(dǎo)是表征器件放大能力的重要指標(biāo).由器件的轉(zhuǎn)移特性可獲得跨導(dǎo)隨柵源電壓(VGS)的變化曲線,好的跨導(dǎo)特性意味著該曲線上具有寬闊的高跨導(dǎo)區(qū),這種特性非常有利于實(shí)現(xiàn)高的頻率特性和高線性的微波功率放大.例如文獻(xiàn)[8]報(bào)道,柵長(zhǎng)0.1μm,fMAX=120 GHz的高性能多晶金剛石FET器件,跨導(dǎo)最大值為143 mS/mm,且跨導(dǎo)高于最大值的90%的柵壓范圍達(dá)到1.5 V.

本文制作了高性能的長(zhǎng)溝氫終端多晶金剛石FET,柵長(zhǎng)4μm的器件的最大跨導(dǎo)達(dá)到32 mS/mm,且實(shí)現(xiàn)了寬闊的高跨導(dǎo)區(qū).為了研究相關(guān)的機(jī)理,對(duì)器件特性進(jìn)行了深入的分析.

2 實(shí)驗(yàn)過程

用于器件制備的金剛石是從元素六公司購(gòu)買的利用化學(xué)氣相淀積法制備的尺寸為10 mm×10 mm×0.3 mm的(001)多晶金剛石材料.將金剛石分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗15 min,去除金剛石表面可能存在的有機(jī)和無機(jī)污染物,獲得清潔的金剛石表面.然后將金剛石材料放入到微波等離子化學(xué)氣相淀積設(shè)備的腔體中,用氫等離子體處理.處理過程中,氫氣流量為500 sccm(1 sccm=1 mL/min),壓力和微波功率分別為80 mbar和2 kW.處理完成之后,在氫氣氛圍中冷卻樣品到室溫,形成氫終端表面.將氫終端表面暴露在空氣中若干小時(shí),表面會(huì)出現(xiàn)一層含有某些帶電離子(如OH?和HCO?3等[5])的吸附物,氫終端金剛石表面的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到吸附層中,從而在金剛石表面產(chǎn)生一層空穴載流子.隨后使用熱蒸發(fā)技術(shù)在金剛石表面蒸發(fā)厚度100 nm的金(Au)層,一方面保護(hù)氫終端金剛石表面,另一方面Au可以和氫終端金剛石表面之間形成歐姆接觸.接著進(jìn)行有源區(qū)光刻和Au的濕法腐蝕,用KI/I2溶液將有源區(qū)之外的Au腐蝕掉,然后將樣品置于低功率的氧等離子體中處理10 min,則暴露出來的氫終端金剛石表面會(huì)變?yōu)榫哂懈呓^緣性質(zhì)的氧終端表面,形成器件之間的隔離區(qū).柵窗口光刻和將窗口中的Au進(jìn)行濕法腐蝕后,光刻膠下方留下的Au形成源漏電極,同時(shí)Au的橫向腐蝕將使源漏電極間距大于柵窗口對(duì)應(yīng)的柵長(zhǎng).再使用熱蒸發(fā)工藝在樣品表面蒸發(fā)厚度為100 nm的鋁(Al)層,利用光刻膠的掩膜作用在剝離工藝之后形成自對(duì)準(zhǔn)柵,完成器件的制作,器件俯視圖和剖面結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.所制備的金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MESFET)器件柵長(zhǎng)(LG)為4μm,柵寬(WG)為50μm.使用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)器件的電流-電壓(I-V)特性和電容-電壓(C-V)特性進(jìn)行了測(cè)試.

3 結(jié)果與討論

器件的輸出特性和飽和區(qū)的轉(zhuǎn)移特性如圖2和圖3所示.在柵源電壓VGS=?5 V時(shí),飽和輸出電流IDsat=160 mA/mm,由漏源電壓VDS在0.1 V以下的I-V數(shù)據(jù)可得到導(dǎo)通電阻Ron=37.85 ?·mm. 轉(zhuǎn)移特性在VDS為?9 V時(shí)測(cè)量,可提取出閾值電壓VTH=1.4 V.隨著VGS從VTH向負(fù)電壓方向變化,gm曲線呈平頂寬峰狀,在VGS=?3.5 V時(shí)達(dá)到最大值32 mS/mm,跨導(dǎo)高于最大值的90%的高跨導(dǎo)區(qū)柵壓范圍達(dá)到3 V(?2 V ≤VGS≤?5 V),占VTH以上可測(cè)柵壓范圍的近一半.而且,根據(jù)gm與VGS的關(guān)系曲線形狀,如果柵源之間還可以進(jìn)一步加負(fù)壓,則高跨導(dǎo)區(qū)還可以再加寬.與如此寬闊廣的高跨導(dǎo)區(qū)相對(duì)應(yīng),器件的IDsat已達(dá)到國(guó)際上同等柵長(zhǎng)的高性能氫終端金剛石MESFET的電流水平.例如,根據(jù)Hirama等[6]報(bào)道的器件IDsat隨柵長(zhǎng)的變化規(guī)律,LG=4μm的器件在VGS?VTH=?5 V時(shí),IDsat約為100 mA/mm,從圖2可以看到本文器件在同樣的柵壓下電流也在這個(gè)水平.

器件的跨導(dǎo)高與導(dǎo)通電阻低有密切的關(guān)系.根據(jù)Matsudaira等[11]報(bào)道的氫終端金剛石FET的電流增益截止頻率fT隨柵長(zhǎng)的倒數(shù)1/LG變化的關(guān)系,2μm的柵長(zhǎng)是器件從長(zhǎng)溝特性向短溝特性的過渡點(diǎn).圖4和圖5總結(jié)了已報(bào)道的長(zhǎng)溝道Al柵氫終端單晶或多晶金剛石MESFET和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)器件的跨導(dǎo)和導(dǎo)通電阻隨柵長(zhǎng)變化的規(guī)律,圖中也列入了本文的器件數(shù)據(jù).可以看到,隨著柵長(zhǎng)的減小,跨導(dǎo)增加和導(dǎo)通電阻減小的趨勢(shì)非常明顯.本文的柵長(zhǎng)4μm的MESFET器件獲得的高跨導(dǎo)和低導(dǎo)通電阻具有明顯的優(yōu)勢(shì).

圖2 器件輸出特性Fig.2.Output characteristics of the diamond FET.

圖3 器件轉(zhuǎn)移特性圖Fig.3.Transfer and transconductance characteristics of the diamond FET.

圖4 長(zhǎng)溝Al柵氫終端金剛石FET器件的跨導(dǎo)隨柵長(zhǎng)的變化(數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[12—18]),圖中SCD和PCD分別指單晶金剛石和多晶金剛石,各MOSFET器件后的圓括號(hào)中給出了柵介質(zhì)的成分Fig.4.Summary of the reported maximum transconductancedependenton thegatelength ofthe long-channel Al-gated hydrogen-terminated diamond FETs[12?18].The terms SCD and PCD represent single-crystal diamond and poly-crystal diamond.The composition of the gate dielectric of each MOSFET device is given in the parentheses in the legend.

圖5 長(zhǎng)溝Al柵氫終端金剛石FET器件的導(dǎo)通電阻隨柵長(zhǎng)的變化(數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[14—18])Fig.5.Summary of the reported on-resistance dependent on the gate length of the long-channel Al-gated hydrogen-terminated diamond FETs[14?18].

圖6 片上傳輸線測(cè)試結(jié)構(gòu)的電阻隨電極間距的變化,電極寬度為50μm[19]Fig.6.Resistance vs.contact distance relation of the transmission line model[19]pattern with a contact width of 50μm on the diamond wafer.

為了進(jìn)一步分析本文器件中低導(dǎo)通電阻和高跨導(dǎo)的物理機(jī)制,我們測(cè)試了片上傳輸線測(cè)試結(jié)構(gòu)的電阻隨電極間距的變化關(guān)系[19](圖6).提取出源漏電極的歐姆接觸電阻RC=5.52 ?·mm(對(duì)應(yīng)比接觸電阻率ρC=5.30×10?5?·cm2),氫終端多晶金剛石材料的方塊電阻為5.71 k?/sq.與已報(bào)道的氫終端金剛石方阻數(shù)據(jù)5—20 k?/sq[20,21]相比,該方阻屬于較低水平.器件的源極串聯(lián)電阻(RS)和漏極串聯(lián)電阻(RD)均由歐姆接觸電阻和非零的柵-源和柵-漏通道電阻(Ra)組成.本文器件的柵極位于源極和漏極的正中間,所以RS和RD相等,可求得RS=RC+Ra=14.08 ?·mm.

測(cè)得的器件gm即外跨導(dǎo)與器件的本征跨導(dǎo)gm0之間具有如下關(guān)系:

將所求得的RS=14.08 ?·mm代入(1)式可得gm0峰值達(dá)58 mS/mm.

設(shè)柵下溝道電阻為Rch,則Ron可按以下關(guān)系分解:

根據(jù)Ron=37.85 ?·mm, 可求出在VGS=?5 V時(shí)Rch=9.69 ?·mm,相當(dāng)于柵下的方塊電阻(Rsh_ch)已降低到2.42 k?/sq,比氫終端金剛石材料的原始方塊電阻(5.71 k?/sq)的一半還要低.

測(cè)試了器件在1 MHz下柵-源之間的C-V曲線,如圖7所示.大量采用Al柵的氫終端金剛石MESFET器件和本文器件的柵正向耐壓都顯著高于Al在氫終端金剛石表面的肖特基勢(shì)壘高度理論值(僅0.62—0.82 eV),分析其原因可能是在Al和金剛石的界面形成了氧化鋁層,使MESFET器件實(shí)際上形成類似MOS柵的器件結(jié)構(gòu)[22,23].因此Al柵氫終端金剛石MESFET用MOSFET器件的物理模型來分析更合適.圖7中C-V曲線的實(shí)驗(yàn)平帶電壓VFB由d2CGS/dV2GS=0對(duì)應(yīng)的柵壓位置[24]確定,為1.67 V.電容從VFB向器件閾值電壓(VTH=1.4 V)上升,隨后進(jìn)入寬廣的平臺(tái)區(qū)(0 V＞VGS＞?5 V),反映了柵對(duì)溝道載流子的控制作用從耗盡作用轉(zhuǎn)變?yōu)槔鄯e作用.曲線上的電容最大值為0.374μF/cm2,若假設(shè)Al柵和金剛石之間的氧化鋁介質(zhì)的介電常數(shù)為3.5[21],則介質(zhì)的厚度約為8.3 nm,與文獻(xiàn)報(bào)道的5—10 nm相符[22,25].設(shè)柵下溝道的載流子面密度為pch,則由(e為基本電荷電量1.6×10?19C)可求出溝道載流子最大密度為1.56×1013cm?2.

MOSFET器件中Ron與溝道載流子的有效遷移率μeff具有如下關(guān)系:

設(shè)Cox近似為圖7的C-V曲線電容最大值(0.374μF/cm2),由(3)式可得到μeff隨柵壓的變化關(guān)系如圖8所示.隨著VGS從VTH向負(fù)電壓方向變化,μeff先迅速上升,隨后在VGS達(dá)到?1.5 V后飽和,保持約在170 cm2/(V·s)基本不變.μeff達(dá)到近恒定值的柵壓范圍,與前述高跨導(dǎo)區(qū)的柵壓范圍?2 V≤VGS≤?5 V基本一致,還與圖8插圖的柵下溝道方阻Rsh_ch降到材料方阻Rsh以下的柵壓范圍一致.已報(bào)道的氫終端金剛石FET器件的μeff通常約為20—200 cm2/(V·s)[6,9,10,26],且在較高的負(fù)柵壓(即柵極強(qiáng)正偏狀態(tài))下會(huì)出現(xiàn)遷移率的明顯下降[21].而本文器件獲得了負(fù)柵壓下高而近似恒定的μeff,并且溝道載流子密度可達(dá)到相當(dāng)高的水平,令Rsh_ch乃至Ron顯著降低,gm0顯著提高,實(shí)現(xiàn)了良好的器件特性.

圖7 器件的C-V特性以及所計(jì)算出的溝道空穴濃度隨VGS的變化Fig.7.Capacitance-voltage characteristics of the device,and the calculated hole density in the channel as a function of VGS.

圖8 有效遷移率μeff和溝道方阻Rsh_ch隨柵壓的變化Fig.8.Gate voltage dependences of the mobilityμeff and the square resistance Rsh_ch.

4 結(jié) 論

基于多晶金剛石成功制備出導(dǎo)通電阻37.85 ?·mm、最大跨導(dǎo)達(dá)到32 mS/mm、柵長(zhǎng)4 μm的Al柵氫終端金剛石MESFET.器件轉(zhuǎn)移特性顯示出寬闊的高跨導(dǎo)區(qū),跨導(dǎo)高于最大值的90%的柵壓范圍達(dá)到3 V(?2 V≤VGS≤?5 V).根據(jù)傳輸線電阻測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)器件獲得的低導(dǎo)通電阻一方面是由于柵下溝道的方阻在高的負(fù)柵壓下顯著下降,另一方面是氫終端金剛石材料本身獲得了較低的方阻,令源漏之間的串聯(lián)電阻處于較低的水平.較低的源漏串聯(lián)電阻也有利于提高外跨導(dǎo).進(jìn)一步利用器件的電容-電壓特性發(fā)現(xiàn)器件的柵下溝道載流子密度達(dá)到了1.56×1013cm?2;由導(dǎo)通電阻隨柵壓的變化曲線提取有效遷移率,發(fā)現(xiàn)有效遷移率在?5 V≤VGS≤?1.5 V范圍出現(xiàn)近恒定高值區(qū)(170 cm2/(V·s)).高載流子濃度和高遷移率有利于降低柵下溝道電阻,提高本征跨導(dǎo).綜上所述,較低的柵源和柵漏串聯(lián)電阻、溝道中高密度的載流子和在大范圍柵壓內(nèi)的高水平遷移率是獲得器件高而寬闊的跨導(dǎo)峰和低導(dǎo)通電阻的原因.

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