不同晶面的氫終端單晶金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性*

張金風(fēng) 徐佳敏 任澤陽(yáng)? 何琦 許晟瑞 張春福 張進(jìn)成2) 郝躍

1) (西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,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 710071)

2) (陜西省石墨烯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

通過(guò)微波等離子體化學(xué)氣相淀積技術(shù)生長(zhǎng)單晶金剛石并切割得到(110)和(111)晶面金剛石片,以同批器件工藝制備兩種晶面上柵長(zhǎng)為6 μm的氫終端單晶金剛石場(chǎng)效應(yīng)管,從材料和器件特性兩方面對(duì)兩種晶面金剛石進(jìn)行對(duì)比分析.(110)面和(111)面金剛石的表面形貌在氫終端處理后顯著不同,光學(xué)性質(zhì)則彼此相似.VGS=—4 V時(shí),(111)金剛石器件獲得的最大飽和電流為80.41 mA/mm,約為(110)金剛石器件的1.4倍;其導(dǎo)通電阻為48.51 Ω·mm,只有(110)金剛石器件導(dǎo)通電阻的67%.通過(guò)對(duì)器件電容-電壓特性曲線的分析得到,(111)金剛石器件溝道中最大載流子密度與(110)金剛石器件差異不大.分析認(rèn)為,(111)金剛石器件獲得更高飽和電流和更低導(dǎo)通電阻,應(yīng)歸因于較低的方阻.

1 引 言

金剛石擁有一系列優(yōu)點(diǎn),比如禁帶寬度大(5.5 eV),熱導(dǎo)率高 [22 W/(cm·K)],擊穿場(chǎng)強(qiáng)大(＞10 MV/cm),載流子遷移率高[電 子4500 cm2/(V·s)、空穴 3800 cm2/(V·s)][1-4].因此金剛石被認(rèn)為是理想的半導(dǎo)體材料,特別是在高頻、高功率和高溫器件應(yīng)用中具有遠(yuǎn)大前景.然而金剛石的體摻雜劑硼和磷的激活能較大,室溫下難以激活.由C—H鍵覆蓋的金剛石表面即氫終端金剛石表面,可由氫等離子體處理金剛石表面獲得,其暴露在空氣中會(huì)吸附類受主原(離)子基團(tuán),室溫下也可在亞表面區(qū)域產(chǎn)生一層二維空穴氣(twodimensional hole gas,2 DHG),非常適合用作場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道.目前大多數(shù)金剛石器件都是制備在氫終端金剛石上.

室溫下,氫終端金剛石表面2 DHG的濃度范圍為 1012—1014cm—2,霍爾遷移率范圍為 1—200 cm2/(V·s),不同晶面的氫終端單晶金剛石在載流子濃度、遷移率、方阻等方面有所不同[5-9].根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,基于多晶金剛石制備的氫終端場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出電流往往大于單晶金剛石器件[10-13],這與多晶金剛石的擇優(yōu)取向是〈110〉和〈111〉等晶向有關(guān).目前,氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性已達(dá)最大輸出電流為 1.3 A/mm[14]、截止頻率為70 GHz[15]、最大振蕩頻率為120 GHz[16]和1 GHz下的輸出功率密度為3.8 W/mm[17].然而,迄今還未見(jiàn)直接比較基于同一單晶金剛石母體的不同晶面上器件特性的公開報(bào)道.

采用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)的方法在高溫高壓(HPHT)金剛石襯底上外延生長(zhǎng)單晶金剛石,對(duì)其切割分別得到(110)和(111)晶面的單晶金剛石片,并且基于兩種不同晶面的單晶金剛石制備金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET).(110)和(111)晶面單晶金剛石上柵長(zhǎng)為 6 μm的器件分別獲得 58.02 mA/mm和80.41 mA/mm的輸出電流,為了研究不同晶面氫終端單晶金剛石的差異性,我們從材料和器件兩個(gè)層面進(jìn)行分析研究.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中使用的金剛石襯底是高溫高壓型襯底.首先,對(duì)襯底進(jìn)行預(yù)處理:先進(jìn)行精細(xì)拋光,獲得平整的表面;然后將拋光后的襯底放入250 ℃的H2SO4/HNO3(1∶1) 混合溶液中處理1 h,去除襯底表面的非金剛石相;接著將襯底分別在丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水中超聲清洗15 min,獲得潔凈的表面;最后用含2%氧氣的氫等離子體對(duì)襯底刻蝕30 min,去除拋光帶來(lái)的機(jī)械損傷.其次,將預(yù)處理后的襯底放入MPCVD設(shè)備的腔體中外延生長(zhǎng)得到3.5 mm厚的單晶金剛石,通過(guò)激光切割以及研磨后得到(110)和(111)晶面單晶金剛石.生長(zhǎng)過(guò)程中壓強(qiáng)、溫度和微波功率分別為320 mbar,915 ℃,3.9 kW,氣體總流量為200 sccm,CH4濃度為6%.最后,將兩種不同晶面的樣品在氫等離子體氛圍中處理20 min,并在氫氣氛圍中冷卻到室溫,得到氫終端金剛石表面.

圖1所示為器件的制備流程.首先使用電子束蒸發(fā)的方法在氫終端金剛石表面蒸鍍100 nm厚的金[18],用來(lái)與氫終端金剛石形成歐姆接觸,同時(shí)保護(hù)氫終端表面.接著進(jìn)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.再將腐蝕后的樣品置于低功率的氧等離子體中處理10 min,使有源區(qū)之外暴露出的氫終端表面變?yōu)楦咦璧难踅K端表面,形成器件之間的隔離區(qū).接著進(jìn)行柵窗口光刻,濕法腐蝕去掉窗口中的金,光刻膠下方留下的金則作為源、漏電極,同時(shí)由于金的橫向腐蝕,實(shí)際的源、漏電極間距大于柵窗口定義出的柵長(zhǎng).最后再次使用電子束蒸發(fā)的方法在樣品表面蒸鍍100 nm厚的鋁,金屬剝離后得到柵電極,完成整個(gè)MESFET器件的制備.制備的器件柵長(zhǎng)為 6 μm,柵寬為 50 μm.對(duì) (110)和 (111)晶面單晶金剛石片分別進(jìn)行了原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光 (PL)和Raman測(cè)試,用Keithley 4200半導(dǎo)體分析儀測(cè)試分析所制成器件的I-V特性、C-V特性.

圖1 器件制備流程圖 (a)氫等離子體處理;(b) Au沉積;(c)隔離工藝;(d)柵窗口光刻;(e) Au腐蝕;(f) Al沉積及剝離,右上角為器件俯視圖顯微照片F(xiàn)ig.1.Schematic diagram of the device fabrication process:(a) Hydrogen plasma treatment;(b) gold deposition;(c) device isolation;(d) gate window photolithography;(e)wet etching of gold;(f) aluminum deposition and lifting off.The inset at the upper right corner of (f) is the top view of the device.

3 結(jié)果與討論

分別對(duì)氫等離子體處理前后的(110)和(111)單晶金剛石表面進(jìn)行AFM測(cè)試,測(cè)試面積為 5 μm×5 μm.氫等離子體處理前后的樣品測(cè)試結(jié)果分別如圖2和圖3所示.處理之前,(110)面和(111)面金剛石表面的均方根粗糙度分別為1.75 nm和1.24 nm.處理之后,(110)氫終端金剛石表面出現(xiàn)大小不一的鷹眼狀刻蝕坑,均方根粗糙度大幅度增大,為13.5 nm.出現(xiàn)刻蝕坑的原因可能是,氫處理之前的樣品上存在位錯(cuò),這些位錯(cuò)在經(jīng)過(guò)氫等離子體刻蝕后形成了大小不一的刻蝕坑[19].(111)氫終端金剛石表面呈現(xiàn)為排列有序的長(zhǎng)條狀形貌,而且表面粗糙度變化不大,均方根粗糙度為1.14 nm.

Raman和PL測(cè)試結(jié)果如圖4所示,測(cè)試時(shí)采用的都是波長(zhǎng)為514.5 nm的激光器.(110)和(111)面金剛石的拉曼譜都出現(xiàn)了位于1332.5 cm—1的SP3雜化C—C鍵對(duì)應(yīng)的金剛石特征峰,峰位沒(méi)有發(fā)生明顯的位移,說(shuō)明樣品中張應(yīng)力小.尖銳的特征峰和平整的基線表明(110)和(111)金剛石的結(jié)構(gòu)有序度都很高,沒(méi)有明顯的非晶相存在.圖4(a)中插圖所示為特征峰的半高寬(FWHM),(111)金剛石半高寬為4.0 cm—1,(110)金剛石為3.9 cm—1,近似一致.從圖4(b)可以看出,(110)和(111)金剛石的PL光譜都有明顯的光致發(fā)光峰,尤其在波長(zhǎng)約為700 nm附近存在明顯的寬峰,而且該寬峰不是左右對(duì)稱型的,這表明其是由多個(gè)峰組合而成.對(duì)于CVD金剛石而言,該發(fā)光中心一般與N,Si有關(guān).此外,PL光譜圖中還存在波長(zhǎng)為575.7 nm和637.9 nm的發(fā)光中心,且(111)金剛石的峰強(qiáng)度較高,這表明了兩個(gè)樣品都存在中性的氮空位缺陷(即[N-V]0)、帶負(fù)電的氮空位缺陷(即[N-V]—)[20,21].Raman和PL光譜圖表明,源于同一顆CVD單晶金剛石的(110)和(111)金剛石片并沒(méi)有因?yàn)楸砻婢虿煌鸸鈱W(xué)性質(zhì)上的顯著差異.

圖5給出制備的柵長(zhǎng)LG=6 μm,柵寬WG=50 μm的 MESFET的柵-源二極管的 I-V特性.VGS=3 V時(shí),器件A與B的反向柵漏電皆小于2×10—6A/cm2.然而當(dāng)柵電壓小于—3 V 時(shí),器件A與B的正向柵漏電迅速增大,并且在柵電壓為—4 V 時(shí)分別達(dá) 4.0×10—4和1.4×10—4A/cm2.器件A柵泄漏電流較大的可能原因之一是氫等離子體處理后(110)氫終端金剛石表面出現(xiàn)了刻蝕坑.本文的器件和大量采用Al柵的氫終端金剛石MESFET的柵正向耐壓都遠(yuǎn)大于Al與氫終端金剛石表面的肖特基勢(shì)壘高度(0.62 eV)[22],其原因可能是在Al與氫終端金剛石之間生成一層氧化鋁,這一氧化層使Al柵的氫終端金剛石MESFET器件實(shí)際上成為了金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)的器件結(jié)構(gòu)[23-25].而且,器件A和B的柵漏電近似與3 nm Al2O3(由鋁膜氧化得到)MOS器件[26]處于同一水準(zhǔn),但是高于 34.1 nm HfO2(4 nm ALD-HfO2/30.1 nm SD-HfO2) MOS器件[27],這也從另一面說(shuō)明Al柵MESFET器件中應(yīng)存在非故意引入的氧化鋁介質(zhì)層.當(dāng)柵電壓小于—3.3 V時(shí),柵-源二極管的I-V特性可以通過(guò)關(guān)系式 I ∝V2exp(a/V+b) 進(jìn) 行 Fowler-Nordheim 隧穿機(jī)制擬合[28],其中a和b是擬合參數(shù).這表明高的正向偏置柵壓下,空穴的隧穿是引起柵的正向泄漏電流的主要因素.

圖2 氫等離子體處理前的金剛石表面形貌 (a) (110)面;(b) (111)面Fig.2.Surface morphology of the diamond before hydrogen plasma treatment:(a) (110) plane;(b) (111) plane.

圖3 氫等離子體處理后的金剛石表面形貌 (a) (110)面;(b) (111)面Fig.3.Surface morphology of the diamond after hydrogen plasma treatment:(a) (110) plane;(b) (111) plane.

圖4 不同表面金剛石的 (a) Raman光譜圖,(b) PL光譜Fig.4.(a) Raman spectra and (b) photoluminescence (PL) spectra of the diamond plates with different surface orientations.

圖5 柵-源二極管的I-V特性以及正向偏置下的擬合結(jié)果 (a) A器件I-V特性;(b) 圖(a)部分柵壓區(qū)的擬合結(jié)果;(c) B器件I-V特性;(d) 圖(c)部分柵壓區(qū)的擬合結(jié)果Fig.5.Current-voltage characteristics of the gate-source diodes and fitting results at the forward bias:(a) and (b) are for device A;(c) and (d) are for device B.

器件的輸出特性如圖6所示,都是耗盡型的p溝道器件.器件A的最大輸出電流IDmax在柵電壓VGS=—4 V時(shí)為—58.02 mA/mm,而器件B的為—80.41 mA/mm,約為器件A的1.4倍.線性區(qū)的導(dǎo)通電阻Ron隨著柵電壓變化而變化,當(dāng)VGS=—4 V時(shí),器件A的導(dǎo)通電阻Ron為71.93 Ω·mm,器件B的為48.51 Ω·mm,后者只有前者的67%.器件轉(zhuǎn)移特性如圖7所示,兩者都是VDS=—6 V時(shí)測(cè)得的.從關(guān)系中得到器件A,B的閾值電壓 VT分別為 0.43 V和 0.61 V.隨著VGS從VT向—4 V移動(dòng),器件A和B的跨導(dǎo)都近似地線性增大,其最大值 gmmax可分別達(dá)到18.9 mS/mm和 21.51 mS/mm.此外,器件 A與B的開關(guān)比(on/off ratio)都達(dá)到108以上,在關(guān)態(tài)下的漏極電流與柵電流比較可知主要由柵漏電造成,說(shuō)明器件隔離工藝和金剛石絕緣性都較好.

圖8總結(jié)了部分已報(bào)道的柵長(zhǎng)4—11 μm的單晶金剛石場(chǎng)效應(yīng)管最大飽和電流和最大跨導(dǎo)值隨柵長(zhǎng)的變化關(guān)系,同時(shí)列入本文的器件數(shù)據(jù).可以發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)溝道器件中,柵長(zhǎng)6 μm的器件獲得的最大飽和電流和跨導(dǎo)都擁有明顯的優(yōu)勢(shì),尤其是(111)金剛石上的器件B.

場(chǎng)效應(yīng)管器件的特性主要由柵下溝道中載流子濃度、分布以及輸運(yùn)特性來(lái)決定的.為了深入分析器件的特性,測(cè)試了器件在1 MHz下柵-源二極管的C-V曲線,結(jié)果如圖9所示.設(shè)柵下溝道中載流子的濃度為pch,通過(guò)C-V曲線以及關(guān)系式(e為基本電荷電量1.6×10—19C),可以計(jì)算得到器件A的溝道載流子最大濃度為1.34×1013cm—2,器件 B 的為 1.45×1013cm—2,近似是器件A的1.08倍.

圖6 輸出特性 (a)器件A;(b)器件BFig.6.Output characteristics:(a) Device A;(b) device B.

圖7 轉(zhuǎn)移特性 (a)器件A;(b)器件BFig.7.Transfer and transconductance characteristics:(a) Device A;(b) device B.

圖8 氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流(a)和最大跨導(dǎo)(b)隨柵長(zhǎng)的變化(數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[26,27,29—33]),MOSFET器件給出了柵金屬和柵介質(zhì)Fig.8.Summary of the reported (a) IDmax and (b) maximum transconductance of hydrogen-terminated diamond FETs dependent on the gate length[26,27,29-33].The gate metal and gate dielectric are given for MOSFETs.

圖9 柵源二極管的C-V特性以及計(jì)算出的溝道載流子濃度隨VGS的變化 (a)器件A;(b)器件BFig.9.Capacitance-voltage characteristics of the gate-source diode and the calculated hole density in the gated channel as a function of VGS:(a) Device A;(b) device B.

由于器件A和B的溝道載流子濃度差異并不大,而飽和電流和導(dǎo)通電阻的差異較大,可以推測(cè)出(111)面的溝道載流子遷移率應(yīng)略高于(110)面的溝道載流子遷移率,方阻則應(yīng)低于(110)面.Kawarada等[9]報(bào)道了氫終端金剛石的霍爾特性,Kasu 等[34]報(bào)道了吸附 NO2的氫終端金剛石的霍爾特性,都展示了(111)面的方阻低于(110)面,且兩者的方阻都明顯低于(100)面,有利于制備高性能器件.本文的結(jié)果從器件層面有力地證明了這一結(jié)論.

4 總 結(jié)

本文研究切割同一母體單晶金剛石獲得的(110)和(111)面金剛石片表面晶向?qū)饎偸牧虾推骷匦缘挠绊?材料特性方面,AFM測(cè)試結(jié)果表明,(110)金剛石表面在做完氫終端處理后出現(xiàn)了鷹眼狀的刻蝕坑,均方根粗糙度大幅度增加,分析認(rèn)為該刻蝕坑是原樣品中延伸到表面的位錯(cuò)經(jīng)過(guò)氫等離子體刻蝕后所得.PL和Raman測(cè)試結(jié)果表明(111)金剛石和(110)面金剛石光學(xué)性質(zhì)相似.

基于(110)和(111)單晶金剛石制備了柵長(zhǎng)為 6 μm的 Al柵氫終端金剛石 MESFET器件A與B.在VGS=—4 V時(shí),器件A的導(dǎo)通電阻為71.93 Ω·mm,獲得—58.02 mA/mm 的最大飽和電流;而器件B的導(dǎo)通電阻為48.51 Ω·mm,大小只有器件A的67%,最大飽和電流為—80.41 mA/mm,約為器件A的1.4倍.由轉(zhuǎn)移特性可得,器件A與B的最大跨導(dǎo)分別為18.9和21.51 mS/mm,且都有較大的開關(guān)比約108.通過(guò)C-V曲線我們得到器件A的柵下溝道中最大載流子濃度為1.34×1013cm—2,器件 B 的為 1.45×1013cm—2,近似是器件A的1.08倍.器件B擁有大飽和電流和低導(dǎo)通電阻的主要原因是其方阻更低.本文的器件數(shù)據(jù)和已報(bào)道的柵長(zhǎng)4—11 μm的單晶金剛石場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行了比較,可以發(fā)現(xiàn),最大飽和電流和跨導(dǎo)都擁有明顯的優(yōu)勢(shì),尤其是(111)金剛石制備的氫終端場(chǎng)效應(yīng)管.