咸馮林， 徐林華， 鄭改革， 趙立龍， 裴世鑫

（南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，南京 210044）

0 引 言

金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)是一種常見的半導(dǎo)體光電子器件結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)絕緣層采用氧化物時，也稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)，最常見MIS 結(jié)構(gòu)是在硅片上生長一層薄氧化膜后再覆蓋一層鋁，形成Al／SiO2／Si MIS結(jié)構(gòu)。60 年代以來，MIS 結(jié)構(gòu)在超大規(guī)模集成電路和光電子器件的發(fā)展中起著十分重要的作用。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展，GaN、ZnO、SiC、Ga2O3基MIS結(jié)構(gòu)光電子器件發(fā)展迅速［1-4］，在晶體管［5］、光電探測［6-8］、激光器［9-10］、傳感器［11］等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文將科學(xué)前沿及創(chuàng)新性研究成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)［12］，設(shè)計(jì)了一種MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件工藝的綜合性實(shí)驗(yàn)，通過“材料合成-器件制備-性能測試”的運(yùn)作模式，整個實(shí)驗(yàn)過程包含結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鍍膜技術(shù)、紫外曝光、ICP 刻蝕、電極制備等先進(jìn)制備工藝以及材料光學(xué)性能、刻蝕表面形貌、器件電學(xué)性能的測試與分析。

實(shí)驗(yàn)利用MOCVD系統(tǒng)在藍(lán)寶石襯底上通過兩步法外延生長半導(dǎo)體薄膜，采用ATC2400-V型磁控濺射系統(tǒng)沉積MgO絕緣層；MA6 型紫外曝光系統(tǒng)在薄膜表面制備掩模版；ICP 刻蝕系統(tǒng)，以氫氣、甲烷和氯氣為刻蝕氣體刻蝕薄膜；電子束蒸發(fā)系統(tǒng)沉積電極。整個實(shí)驗(yàn)過程包含材料合成、器件制備和器件性能測試3個環(huán)節(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料制備

1.1.1 ZnO／ZnMgO多量子阱／ZnO結(jié)構(gòu)

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）在C面的藍(lán)寶石襯底上制備ZnO 層和ZnO／ZnMgO 多量子阱結(jié)構(gòu)，ZnO／ZnMgO多量子阱可以有效抑制缺陷發(fā)光和非輻射復(fù)合，增強(qiáng)電子躍遷光吸收效應(yīng)［13-14］。制備過程中采用兩步生長法，首先在低溫下生長緩沖層，用來減小藍(lán)寶石襯底與ZnO之間的晶格矢配問題；后采用高溫外延的方法制備未摻雜的ZnO。實(shí)驗(yàn)過程中采用二甲基鋅（DMZn）作為鋅源，叔丁醇和N2O分別為低溫緩沖層和高溫ZnO外延生長的氧源，采用氮?dú)庾鳛檩d氣和緩沖氣體。低溫緩沖層生長溫度為450 ℃，緩沖層厚度為400 nm，高溫外延的溫度為900 ℃。生長過程主要包括低溫下ZnO在藍(lán)寶石襯底上成核生長、原位高溫處理的緩沖層表面熟化以及高溫的二維外延生長過程。生長室的壓力為16 kPa。所制備的未摻雜ZnO薄膜的總厚度為3 μm。隨后，在800 ℃下在未摻雜ZnO薄膜上制備了ZnMgO／ZnO多量子阱結(jié)構(gòu)，其中Mg 含量為7%，量子阱由10 對ZnMgO／ZnO 所組成，ZnO 阱厚度為3 nm，ZnO／ZnMgO壘厚度為5 nm（見圖1）。

圖1 樣品結(jié)構(gòu)圖及紫外曝光掩模版（μm）

1.1.2 MgO絕緣層

MgO的帶隙寬度約為7.8 eV，是一種良好的絕緣材料［13，15］。實(shí)驗(yàn)采用ATC2400-V型磁控濺射系統(tǒng)，濺射腔初始真空度為13 μPa，濺射氣氛采用氬氣和氧氣，氬氣與氧氣的流量比例為1 ∶1，流量均為10 mL／min。濺射功率為500 W，靶材采用高純的MgO 靶材。沉積前，先將ZnO／ZnMgO 多量子阱／ZnO／藍(lán)寶石襯底用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗10 min，濺射溫度分別為300、400 和500 ℃。濺射時間為2 h，所制備的MgO的厚度約為50 nm。

1.2 器件制備

1.2.1 紫外曝光制備掩模板

采用MA6 型紫外曝光系統(tǒng)，光源采用高壓汞燈，曝光模式采用硬接觸式，曝光時間為12 s，曝光流程如圖2（a）～（e）所示。首先在樣品表面旋涂一層光刻膠，光刻膠采用AZ1512 型正光刻膠，在光刻膠旋涂之前，旋涂一層HDMS增強(qiáng)光刻膠與基片的黏附性。光刻膠和HDMS的旋涂速度均為3 000 r／min，旋涂時間為30 s。旋涂完后在85 ℃的加熱板上烘烤90 s后冷卻。最終旋涂的光刻膠總厚度約為1.2 μm。然后進(jìn)行紫外曝光，曝光用的掩模板如圖1（b）所示，尺寸為350 μm×350 μm。曝光光源采用高壓汞燈，曝光模式采用硬接觸式，曝光時間為12 s。曝光結(jié)束后將樣品放入丙酮中顯影以去除被曝光部分的光刻膠，最終獲得的曝光后的樣品表面光學(xué)顯微鏡圖像如圖2（f）所示。由圖可見，曝光樣品的輪廓清晰，邊緣平整。

圖2 紫外曝光制備刻蝕模板流程圖與曝光后樣品表面光學(xué)顯微鏡圖像

1.2.2 ICP刻蝕

影響ICP刻蝕系統(tǒng)的主要因素有ICP功率、RF功率、刻蝕腔內(nèi)壓強(qiáng)、刻蝕溫度、刻蝕氣體流量以及刻蝕時間等［16-17］。RF 功率主要控制離子撞擊樣品的速率，RF功率越大，刻蝕速度越快；ICP 功率主要控制刻蝕離子的濃度，ICP功率越大，單位時間撞擊樣品表面的離子數(shù)越多；同時刻蝕腔內(nèi)壓強(qiáng)、溫度、氣體流量等也對刻蝕速率及表面形貌有很大的影響。圖3 所示為ICP刻蝕流程圖。本實(shí)驗(yàn)中采用的刻蝕氣體為甲烷（CH4）、氫氣（H2）和氬氣（Ar），為了得到光滑的刻蝕表面，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了RF功率和氣體流量，在ICP功率為500 W，甲烷、氫氣和氬氣的流量為5，10 和8 mL／min。刻蝕腔內(nèi)壓強(qiáng)為0.13 Pa，刻蝕溫度為20 ℃的條件下刻蝕的樣品表面最為光滑，在此條件下的刻蝕速率為40 nm／min。

圖3 ICP刻蝕流程

樣品的刻蝕時間為20 min，刻蝕厚度約為800 nm?？涛g完成后，將樣品放入丙酮中超聲清洗10 min去除表面殘余的光刻膠。最終刻蝕的樣品表面和截面的掃描電子顯微鏡圖像如圖4 所示。由圖可見，刻蝕的ZnO表面較光滑，刻蝕邊緣平整。

圖4 ICP刻蝕后樣品的掃描電子顯微鏡圖像

1.2.3 電極制備

電極的制備流程如圖5（a）～（g）所示，主要包括紫外曝光制備掩模板、電子束蒸發(fā)沉積電極和顯影去除多余的薄膜和光刻膠。紫外曝光過程和前文中的紫外曝光流程相似，其中用到的掩模版如圖1（c）所示。

實(shí)驗(yàn)采用電子束蒸發(fā)法沉積電極，靶材為高純的Au靶材和Ti靶材，沉積初始真空度為0.8 mPa，沉積過程在室溫下進(jìn)行，在沉積Au電極前，先沉積一層Ti薄膜增加薄膜和Au 電極之間黏附性，Ti 薄膜沉積厚度為20 nm。Au薄膜沉積厚度為130 nm。Ti和Au薄膜的沉積速率分別為0.15 和0.2 ×10－10s－1。待靶材冷卻后取出樣品。

將沉積過電極的樣品放入丙酮中浸泡24 h，然后放入超聲清洗機(jī)中超聲振蕩1 ～2 s 后取出到顯微鏡下觀察是否光刻膠已完全剝落。反復(fù)幾次超聲清洗直到光刻膠完全剝落，最后在去離子水中清洗后用氮?dú)獯蹈?。最終得到器件的表面光學(xué)顯微鏡圖像如圖5（h）所示。

圖5 電極制備流程

1.3 器件性能測試

不同MgO沉積溫度下制備的器件的伏安特性如圖6 所示，測試在室溫和暗室下進(jìn)行，電壓測試范圍為－5 ～5 V，步長0.05 V。由圖可以看出，所有樣品均表現(xiàn)出良好的非線性整流特性，300 ℃下制備的器件的開啟電壓約為3.2 V；400 和500 ℃下制備的樣品開啟電壓均減小到2.5 V。此外，在400 ℃下制備的器件在＋2／－2 V 的電流比最高，器件性能最好。這可能是由于在低溫下（300 ℃）制備的MgO 的結(jié)晶質(zhì)量較差，而在高溫下（500 ℃）生長會加劇MgO 與ZnO／ZnMgO多量子阱界面的互擴(kuò)散效應(yīng)，不易形成陡峭界面，并且高溫下ZnO／ZnMgO 多量子阱結(jié)構(gòu)也會遭到破壞。

圖6 不同MgO沉積溫度下制備的器件的伏安特性曲線

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與拓展

金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制備與性能測試綜合性實(shí)驗(yàn)適應(yīng)于光電信息科學(xué)與工程專業(yè)、應(yīng)用物理等專業(yè)學(xué)生在大三下學(xué)期開設(shè)的實(shí)踐課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為材料合成、器件制備和性能測試三部分，每部分3 ～5 人一組進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在完成本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)訓(xùn)練后，還可以對材料合成、器件制備的部分進(jìn)行拓展，如研究不同沉積條件、溫度對材料性能的影響，ICP刻蝕功率、氣體流量對刻蝕速率和刻蝕表面粗糙度的影響等，探究薄膜性能、刻蝕條件與器件性能的依賴關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。在器件制備工藝過程中，使得學(xué)生了解大型儀器的基本原理和使用方法，掌握半導(dǎo)體器件的基本工藝過程。在實(shí)驗(yàn)完成后，要求每位學(xué)生能夠正確處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 結(jié) 語

本文介紹的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）器件制備是光電信息科學(xué)與工程、應(yīng)用物理等專業(yè)前沿綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含材料合成、器件制備和性能測試3 個環(huán)節(jié)。涉及MOCVD、磁控濺射、電子束蒸發(fā)等鍍膜工藝，紫外曝光、掩模、ICP刻蝕等器件制備工藝，以及器件性能測試與分析等環(huán)節(jié)，使得學(xué)生了解大型儀器的基本原理和使用方法，掌握半導(dǎo)體器件的基本工藝過程。將本實(shí)驗(yàn)引入本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在新工科背景下適應(yīng)工程教育的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的科研興趣，還能全面提升學(xué)生的實(shí)踐精神和創(chuàng)新能力。