高跨導氫終端多晶金剛石長溝道場效應(yīng)晶體管特性研究

張金風 楊鵬志 任澤陽 張進成 許晟瑞 張春福 徐雷 郝躍

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

1 引 言

金剛石具有禁帶寬度大(5.45 eV)、熱導率高(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,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[4,5].因此,氫終端金剛石場效應(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,單晶因為沒有晶界且純度高,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)、價格非常昂貴,故器件成本和工藝難度都相當高.多晶較容易獲得尺寸達2英寸(1 in=2.54 cm)的晶圓,且存在晶粒直徑可達100μm以上、雜質(zhì)濃度較低的高質(zhì)量多晶材料,也可以實現(xiàn)高性能器件.目前,已經(jīng)報道的氫終端金剛石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].國內(nèi)關(guān)于多晶和單晶金剛石FET研究,已報道了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(gm),因此跨導是表征器件放大能力的重要指標.由器件的轉(zhuǎn)移特性可獲得跨導隨柵源電壓(VGS)的變化曲線,好的跨導特性意味著該曲線上具有寬闊的高跨導區(qū),這種特性非常有利于實現(xiàn)高的頻率特性和高線性的微波功率放大.例如文獻[8]報道,柵長0.1μm,fMAX=120 GHz的高性能多晶金剛石FET器件,跨導最大值為143 mS/mm,且跨導高于最大值的90%的柵壓范圍達到1.5 V.

本文制作了高性能的長溝氫終端多晶金剛石FET,柵長4μm的器件的最大跨導達到32 mS/mm,且實現(xiàn)了寬闊的高跨導區(qū).為了研究相關(guān)的機理,對器件特性進行了深入的分析.

2 實驗過程

用于器件制備的金剛石是從元素六公司購買的利用化學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和無機污染物,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,表面會出現(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進行濕法腐蝕后,光刻膠下方留下的Au形成源漏電極,同時Au的橫向腐蝕將使源漏電極間距大于柵窗口對應(yīng)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(Al)層,利用光刻膠的掩膜作用在剝離工藝之后形成自對準柵,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-半導體場效應(yīng)管(MESFET)器件柵長(LG)為4μm,柵寬(WG)為50μm.使用Keithley 4200半導體參數(shù)分析儀對器件的電流-電壓(I-V)特性和電容-電壓(C-V)特性進行了測試.

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,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)可得到導通電阻Ron=37.85 ?·mm. 轉(zhuǎn)移特性在VDS為?9 V時測量,可提取出閾值電壓VTH=1.4 V.隨著VGS從VTH向負電壓方向變化,gm曲線呈平頂寬峰狀,在VGS=?3.5 V時達到最大值32 mS/mm,跨導高于最大值的90%的高跨導區(qū)柵壓范圍達到3 V(?2 V ≤VGS≤?5 V),占VTH以上可測柵壓范圍的近一半.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一步加負壓,則高跨導區(qū)還可以再加寬.與如此寬闊廣的高跨導區(qū)相對應(yīng),器件的IDsat已達到國際上同等柵長的高性能氫終端金剛石MESFET的電流水平.例如,根據(jù)Hirama等[6]報道的器件IDsat隨柵長的變化規(guī)律,LG=4μm的器件在VGS?VTH=?5 V時,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水平.

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

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 長溝Al柵氫終端金剛石FET器件的跨導隨柵長的變化(數(shù)據(jù)來自文獻[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 長溝Al柵氫終端金剛石FET器件的導通電阻隨柵長的變化(數(shù)據(jù)來自文獻[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.

為了進一步分析本文器件中低導通電阻和高跨導的物理機制,我們測試了片上傳輸線測試結(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.

測得的器件gm即外跨導與器件的本征跨導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Rch=9.69 ?·mm,相當于柵下的方塊電阻(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曲線的實驗平帶電壓VFB由d2CGS/dV2GS=0對應(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,隨后進入寬廣的平臺區(qū)(0 V＞VGS＞?5 V),反映了柵對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,與文獻報道的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向負電壓方向變化,μeff先迅速上升,隨后在VGS達到?1.5 V后飽和,保持約在170 cm2/(V·s)基本不變.μeff達到近恒定值的柵壓范圍,與前述高跨導區(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],且在較高的負柵壓(即柵極強正偏狀態(tài))下會出現(xiàn)遷移率的明顯下降[21].而本文器件獲得了負柵壓下高而近似恒定的μeff,并且溝道載流子密度可達到相當高的水平,令Rsh_ch乃至Ron顯著降低,gm0顯著提高,實現(xiàn)了良好的器件特性.

圖7 器件的C-V特性以及所計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通電阻37.85 ?·mm、最大跨導達到32 mS/mm、柵長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區(qū),跨導高于最大值的90%的柵壓范圍達到3 V(?2 V≤VGS≤?5 V).根據(jù)傳輸線電阻測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)器件獲得的低導通電阻一方面是由于柵下溝道的方阻在高的負柵壓下顯著下降,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.進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到了1.56×1013cm?2;由導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.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峰和低導通電阻的原因.

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