單晶金剛石氫終端場效應晶體管特性

任澤陽 張金風 張進成 許晟瑞 張春福 全汝岱 郝躍

(西安電子科技大學微電子學院,寬帶隙半導體技術國防重點學科實驗室,西安 710071)

單晶金剛石氫終端場效應晶體管特性

任澤陽 張金風?張進成 許晟瑞 張春福 全汝岱 郝躍

(西安電子科技大學微電子學院,寬帶隙半導體技術國防重點學科實驗室,西安 710071)

金剛石,氫終端,場效應晶體管

基于微波等離子體化學氣相淀積生長的單晶金剛石制作了柵長為2μm的耗盡型氫終端金剛石場效應晶體管,并對器件特性進行了分析.器件的飽和漏電流在柵壓為?6 V時達到了96 mA/mm,但是在?6 V時柵泄漏電流過大.在?3.5 V的安全工作柵壓下,飽和漏電流達到了77 mA/mm.在器件的飽和區(qū),寬5.9 V的柵電壓范圍內,跨導隨著柵電壓的增加而近線性增大到30 mS/mm.通過對器件導通電阻和電容-電壓特性的分析,氫終端單晶金剛石的二維空穴氣濃度達到了1.99×1013cm?2,并且遷移率和載流子濃度均隨著柵壓向正偏方向的移動而逐漸增大.分析認為,溝道中高密度的載流子、大的柵電容以及遷移率的逐漸增加是引起跨導在很大的柵壓范圍內近線性增加的原因.

1 引 言

金剛石由于具有禁帶寬度大、熱導率高、載流子遷移率高等一系列的優(yōu)點,被業(yè)界稱為終極半導體材料[1?4],在高溫、高頻、高功率電子器件應用方面具有很大的潛力.然而n型和p型金剛石半導體材料常用的摻雜劑硼和磷的激活能分別為0.37和0.6 eV,室溫下難以激活,這嚴重阻礙了金剛石在電子器件領域的應用和發(fā)展[5].幸運的是,當把金剛石在氫等離子體氛圍中處理之后,會形成由碳-氫(C—H)鍵覆蓋的表面即所謂氫終端表面,這種表面暴露在空氣中會產生一層二維空穴氣(twodimensional hole gas,2DHG).在室溫下,2DHG的載流子濃度通常在1012—1014cm?2范圍,遷移率μ通常在幾十到200 cm2/(V·s)范圍[6?9].氫終端表面為金剛石在電子器件領域的應用提供了新的思路.目前,基于氫終端表面的金剛石場效應晶體管已經實現(xiàn)了最大輸出電流1.3 A/mm[10],截止頻率53 GHz,最大振蕩頻率120 GHz[11,12]和1 GHz下的輸出功率密度2.1 W/mm[6].盡管如此,國內基于單晶金剛石材料的場效應晶體管研究的公開報告卻很少.

理論上,在長溝道的氫終端金剛石場效應晶體管中,器件的跨導gm在柵源電壓VGS高于閾值電壓VTH時會隨著柵電壓的增加而線性增加.Kawarada等[13,14]的報道指出,2μm是金剛石氫終端場效應晶體管能夠保持長溝器件特性的最小柵長.然而,在柵長≥2μm的金剛石氫終端場效應晶體管中,gm隨著|VGS–VTH|增加而增加的電壓范圍通常限制在4 V以內,更高的正向柵電壓會導致跨導退化[15?18].若不考慮器件柵源和柵漏串聯(lián)電阻,長溝道器件的gm主要由溝道載流子的濃度和遷移率來共同決定,而短溝道器件的gm主要由載流子的飽和速度決定.因此,研究gm和VGS的關系是研究氫終端表面金剛石場效應晶體管的溝道載流子特性的有效方法.

本文采用微波等離子體化學氣相淀積的方法在高溫高壓的金剛石襯底上外延生長了200 nm厚的單晶金剛石層,并且基于外延生長的單晶金剛石制作了氫終端表面的單晶金剛石金屬-半導體場效應管(metal-semiconductor fi eld e ff ect transis-tor,MESFET)器件.器件的gm隨|VGS–VTH|變化而近線性增加的電壓范圍達到了5.9 V,在?3.5 V時,最大跨導達到了30 mS/mm.

2 實驗過程

實驗中使用的襯底是從元素六公司購買的面積為3 mm×3 mm的(001)方向的Ib型高溫高壓襯底.在外延生長之前,襯底被精細拋光.隨后,為了去除金剛石表面可能存在的非金剛石相以及獲得氧終端金剛石表面,將拋光后的金剛石襯底放入250°C的H2SO4/HNO3(1:1)的混合溶液中處理1 h,然后分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗15 min.然后將金剛石襯底放入到微波等離子化學氣相淀積設備的腔體中外延生長200 nm厚的單晶金剛石層.生長過程中,總的氣體流量為 500 sccm(1 sccm=1 mL/min),甲烷的濃度為0.1%,壓力、微波功率和溫度分別為 100 Torr(1 Torr=1.33322×102Pa),1 kW和900°C.生長完成之后,將樣品在氫等離子體氛圍中保持10 min,然后在氫氣氛圍中冷卻樣品到室溫,就形成氫終端表面.如圖1(a)所示,將氫終端樣品暴露在空氣中會出現(xiàn)一層吸附物,氫終端金剛石表面的電子會轉移到吸附層中,從而在金剛石表面產生一層二維空穴氣.

圖1 (a)氫終端金剛石表面能帶圖和(b)金剛石MESFET器件結構示意圖Fig.1.(a)Schematic of the energy band structure of the H-diamond surface exposed to atmosphere and the schematic structure of the diamond MESFET.

為了保護氫終端金剛石表面,首先使用熱蒸發(fā)方法在金剛石表面蒸鍍厚度100 nm的金層[19].同時,由于氫終端表面金剛石的能級非釘扎特性[20]和金的功函數(shù)大的原因,金可以與氫終端的金剛石表面之間形成歐姆接觸.接著進行有源區(qū)光刻和金的濕法腐蝕.使用KI/I2溶液將有源區(qū)之外的金腐蝕掉,然后將樣品置于低功率的氧等離子體中處理10 min來完成器件隔離的工藝.這是由于經過氧等離子體處理之后,沒有金保護的單晶金剛石表面會變?yōu)檠踅K端表面,而氧終端表面金剛石的費米能級釘扎在價帶以上1.7 eV,具有高絕緣性質.接著在進行柵窗口光刻工藝和窗口中金的濕法腐蝕之后,光刻膠下方留下的金形成源漏電極,同時金的橫向腐蝕將使源漏電極間距大于柵窗口對應的柵長.再使用熱蒸發(fā)工藝在樣品表面蒸發(fā)厚度為100 nm的鋁層,最后經過剝離工藝形成柵,完成器件的制作.如圖1(b)所示,在微波等離子化學氣相淀積生長的單晶金剛石表面成功地制作出柵長為2μm的MESFET器件.使用Keithley 4200半導體參數(shù)分析儀對器件特性進行了測試.為了研究氫終端金剛石的表面特性,分別對酸處理后的氧終端表面和氫等離子處理后的氫終端表面樣品進行了X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)測試.

3 結果與討論

對高溫高壓金剛石襯底和外延生長后的樣品表面進行了原子力顯微鏡測試,測試結果如圖2所示.生長之前,樣品經過精細拋光,表面的均方根粗糙度達到0.83 nm(圖2(a)),在外延生長和氫終端處理之后表面的均方根粗糙度為0.92 nm(圖2(b)).樣品表面粗糙度較小,并且在表面只有極少的缺陷坑出現(xiàn),表明單晶金剛石具有較高的質量,這有助于實現(xiàn)較高的器件性能.

圖2 (網刊彩色)(a)金剛石襯底和(b)CVD外延單晶表面形貌Fig.2.(color online)Morphology of the(a)HPHT substrate and(b)CVD grown single crystal diamond.

圖3 (網刊彩色)(a)酸處理后和氫等離子體處理后的樣品XPS測試全譜圖;(b)氫終端表面和(c)氧終端表面金剛石XPS測試的C峰結果Fig.3.(color online)(a)X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)result of the H-terminated and O-terminated diamond surface;spectrum of the C 1s peak of(b)H-terminated,and(c)O-terminated diamond surface.

為了研究氫終端處理前后樣品表面的化學鍵結合狀態(tài)的變化,對樣品進行了XPS測試,測得的全譜如圖3(a)所示.通過對比可以發(fā)現(xiàn),氫終端金剛石表面的O 1s峰和O KLL峰的強度明顯降低.為了進一步研究金剛石表面碳(C)元素的結合狀態(tài),對C峰進行了測試,結果如圖3(b)和3(c)所示.通過對比可以看出,氫終端金剛石的C峰的位置向低鍵能方向移動,這主要是由于氫終端金剛石表面能帶彎曲所致.此外,通過對測量結果的分峰擬合可以發(fā)現(xiàn)氫終端金剛石表面出現(xiàn)了位于284.57 eV處的C—H鍵相關的峰,而且287.87 eV處的C—O鍵相關的峰消失.XPS測試結果表明,通過氫等離子體處理,金剛石表面的C—O鍵斷裂,氧元素含量減少,碳的懸掛鍵吸附了氫原子形成C—H鍵,從而氧終端表面轉變成氫終端表面.

器件的輸出特性如圖4所示,表明器件為耗盡型的p溝道器件.柵寬50μm的器件A的輸出特性測試結果顯示,最大輸出電流在柵電壓?6 V時達到了96 mA/mm.但是,從圖4(a)中可以看到,漏源電壓VDS為零時漏極電流IDS不為零,說明柵極出現(xiàn)泄漏電流;圖4(a)的內插圖給出了測量輸出特性的同時測得的柵極電流,可以看到當VGS＜?4 V時,柵泄漏電流明顯增大.測試中也發(fā)現(xiàn),器件經過強正向柵電壓偏置后容易出現(xiàn)器件特性的退化.因此在測試過程中,我們將柵電壓限制在?4 V以下.對于柵寬100μm的器件B,如圖4(b)在VDS=0時沒有觀察到明顯的柵極漏電現(xiàn)象.線性區(qū)的導通電阻(on-resistance,Ron)隨著VGS的改變而改變,并且在飽和區(qū)飽和電流(saturation drain current,IDsat)的增加量隨著VGS的增加而不斷增大,這表明器件的gm隨著VGS的增加不斷增加.通過對樣品上其他器件的測試,也都觀察到了相同的現(xiàn)象.

圖4 (網刊彩色)器件輸出特性 (a)柵寬50μm,柵壓范圍?6—+3 V;(b)柵寬100μm,柵壓范圍?3—+2 VFig.4.(color online)Output characteristics of the diamond FETs with(a)WG=50μm for VGS= ?6—+3 V and(b)WG=100μm for VGS= ?3—+2 V.

圖5 (網刊彩色)器件轉移特性圖,器件柵長2μm,柵寬100μmFig.5.(color online)Transfer and transconductance characteristics of the diamond FET with LG=2μm and WG=100μm.

以下的討論限于器件B.該器件在VDS=?8 V時的轉移特性曲線(圖5)表現(xiàn)出典型的長溝器件特性.當VGS從VTH(2.4 V)向負電壓方向變化時,gm基本保持線性增加,并且在?3.5 V的柵電壓下達到最大值30 mS/mm.gm隨|VGS–VTH|變化而線性增加的電壓范圍達到了5.9 V.與此同時,器件的開關比和亞閾值擺幅S分別達到了109和80 mV/dec.其中高達109的開關比是目前報道中的最高值,這直接證明了外延生長的單晶金剛石層的高絕緣性和良好的器件制備工藝.

圖6 金剛石基MESFET的C-V特性測試結果,測試頻率1 MHz,插圖為載流子濃度隨深度的分布Fig.6.Capacitance-voltage curve of the diamondbased MESFET measured at 1 MHz,the inset shows the C-V carrier pro fi le.

場效應管器件的特性主要是由柵下溝道載流子的分布和輸運特性來決定的.為了深入分析器件的特性,進行了柵源之間的電容-電壓(CV)測試,結果如圖6所示.電容快速地從耗盡區(qū)(4 V＞VGS＞3 V)上升到平臺區(qū)(2 V＞VGS＞?2 V),然后隨著電壓的增加出現(xiàn)了第二個電容上升的區(qū)域(?2 V＞VGS＞?2.5 V).類似的C-V測試結果在一些鋁柵的金剛石場效應管中有過報道[21,22],據(jù)分析在鋁和金剛石的界面可能存在鋁的氧化物層.這個界面介質層使鋁柵的金剛石MESFET器件實際上形成類似金屬-氧化物-半導體(MOS)柵的器件結構,提高器件柵極的耐壓能力[21?24].根據(jù)鋁的功函數(shù)4.28 eV和氫終端金剛石表面的功函數(shù)4.9 eV[25],鋁在氫終端金剛石表面若形成肖特基勢壘,則勢壘高度僅0.62 eV.本研究制作的器件柵耐壓遠高于該勢壘高度,也從側面證明器件形成了金屬-氧化物-半導體的柵結構這個觀點.C-V曲線的不同區(qū)域反映了載流子從耗盡到堆積再到進入介質層的不同狀態(tài).假設金剛石和可能存在的介質層的介電常數(shù)均為5.7,可以得到載流子濃度隨深度(d)增加呈尖峰狀分布(圖6的內插圖),濃度的峰值分布在金剛石表面下方8.5 nm處.這符合氫終端金剛石表面附近2DHG沿表面呈薄層狀分布的特點.根據(jù)C-V測試結果,柵下溝道2DHG的最大濃度(ps)可由(1)式積分計算得1.99×1013cm?2.

器件的導通電阻Ron是VGS的函數(shù),由Ron與不同VGS下的溝道可動電荷濃度

的關系式可以提取出載流子的有效遷移率μ:

圖7 導通電阻與1/pch的關系Fig.7 On-resistance versus 1/pchrelation and the fi tting curve.

圖8 溝道載流子濃度和遷移率與柵電壓的關系Fig.8.Channel hole density pchcalculated from theC-V curve and the channel mobility extracted from Ron-1/pchrelation.

根據(jù)圖6—圖8的測量和分析結果,本文器件具有較大的溝道載流子濃度,因此閾值電壓的絕對值較大,溝道開啟后柵壓變化范圍|VGS–VTH|達5.9 V;柵電容較大,因此柵控制電荷能力強,溝道電流對柵壓的變化很敏感;再者載流子遷移率隨著VGS向?2.5 V移動而不斷增大,因此形成跨導隨柵壓大范圍變化持續(xù)增加的特性.但稍微不足的是

本項研究中最重要的器件特性是gm隨|VGS–VTH|線性增加的電壓范圍較大,這有助于實現(xiàn)較大的飽和漏電流和最大跨導.在長溝器件輸出特性的飽和區(qū),跨導gm與柵壓的關系可以用(3)式來表示:載流子遷移率較小,對跨導的大小有所限制.Kasu等[10]利用NO2吸附的氫終端表面與Al2O3柵介質兼鈍化介質結合,不僅實現(xiàn)了很高的載流子濃度(4×1013cm?2),同時還保持了較高的載流子遷移率(110 cm2/(V·s)),所以在很大的柵壓范圍內獲得了高本征跨導(在7 V＞VGS＞?2 V高于跨導最大值的90%)和高達1.3 A/mm的飽和電流.所以,我們期望能夠通過進一步提高氫終端金剛石表面2DHG的遷移率和密度來提高器件的性能.另一方面,可以預見,如果器件的柵能夠耐受更大的柵正偏電壓,則溝道特性的變化將導致在較大的柵壓下出現(xiàn)近常數(shù)的跨導值.為了減少失真,在大信號線性微波放大器中希望能夠有在較寬柵壓范圍保持較高的常數(shù)值的跨導特性.因此,在接下來的研究中希望能夠通過引入柵絕緣層提高柵耐壓來進一步提高金剛石氫終端器件的特性.

4 結 論

本文基于微波等離子體化學氣相淀積外延生長的單晶金剛石層制作了柵長為2μm的金屬半導體場效應晶體管,器件表現(xiàn)出典型的長溝道器件特性.gm隨|VGS–VTH|增加而近線性增加的電壓范圍達到了5.9 V.在?3.5 V的柵電壓下,飽和電流和最大跨導分別達到了77 mA/mm和30 mS/mm.高達1.99×1013cm?2的載流子濃度導致了較大的閾值電壓(2.4 V),較高的柵電容和溝道載流子遷移率隨柵壓正偏不斷增加的特性,是引起在很大的柵壓范圍內gm近線性增大的原因.下一步將開展提高載流子遷移率和尋找合適的柵介質的相關研究,以提高金剛石場效應管器件的特性.金剛石作為新一代的超寬禁帶半導體材料,其材料和器件近年來迅速成為新的研究熱點.隨著研究的深入和器件性能的提高,相信很快能夠進一步發(fā)揮金剛石在高溫、高壓、高頻、高功率半導體器件等領域巨大的應用潛力.

感謝西安交通大學王宏興教授課題組對單晶金剛石氫終端處理提供的幫助和支持.

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Characteristics of H-terminated single crystalline diamond fi eld e ff ect transistors

Ren Ze-Yang Zhang Jin-Feng?Zhang Jin-Cheng Xu Sheng-RuiZhang Chun-Fu Quan Ru-DaiHao Yue

(State Key Discipline Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Technology,School of Microelectronics,Xidian University,Xi’an 710071,China)

20 April 2017;revised manuscript

23 August 2017)

Diamond has been considered as an ultimate semiconductor,which has great potential applications in high power,high frequency semiconductor devices.Up to now,the twodimensional hole gas(2DHG)induced on the hydrogenterminated diamond surface is used most popularly to form electric conduction in diamond semiconductor at room temperature,due to the obstacle caused by lacking of easily-ionized dopants.A 200-nm-thick single crystalline diamond is grown by microwave plasma chemical vapor deposition on the type-Ib high-pressure high-temperature synthesized diamond substrate.Then the sample is treated in hydrogen plasma atmosphere to achieve hydrogen terminated diamond surface.The sample is characterized by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscope.After that,the normally-on hydrogen-terminated diamond fi eld e ff ect transistors are achieved.The device with a gate length of 2μm delivers a saturation leakage current of 96 mA/mm at gate voltageVGS=?6 V,at which,however,the gate leakage current is too large.The saturation current reaches 77 mA/mm atVGS=?3.5 V with safety.The device shows typical long-channel behavior.The gate voltage varies almost linearly.In the saturation region of the device,the transconductance(gm)increases near-linearly to 30 mS/mm with the increase of the gate voltage in a range of 5.9 V.Analyses of the on-resistance and capacitance-voltage(C-V)data show that the 2DHG under the gate achieves a density as high as 1.99×1013cm?2,and the extracted channel carrier density and mobility are always kept increasing withVGSnegatively shifting to?2.5 V.The nearlinearly increasing ofgmin a largeVGSrange is attributed to high 2DHG density,quite a large gate capacitance(good gate control),and increased mobility.The relevant researches of improving the carrier mobility in the channel and of fi nding proper gate dielectrics to improve the forward gate breakdown voltage are underway.

diamond,hydrogen-terminated, fi eld e ff ect transistors

(2017年4月20日收到;2017年8月23日收到修改稿)

10.7498/aps.66.208101

?通信作者.E-mail:jfzhang@xidian.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:81.05.ug,85.30.De,84.37.+qDOI:10.7498/aps.66.208101

?Corresponding author.E-mail:jfzhang@xidian.edu.cn