高跨导氢终端多晶金刚石长沟道场效应晶体管特性研究

张金风 杨鹏志 任泽阳 张进成 许晟瑞 张春福 徐雷 郝跃

(宽带隙半导体技术国防重点学科实验室,西安电子科技大学微电子学院,西安 710071)

1 引 言

金刚石具有禁带宽度大(5.45 eV)、热导率高(22 W/(cm·K))、 载流子迁移率高(电子4500 cm2/(V·s)、空穴3800 cm2/(V·s))等一系列优点,在高温、高频、高功率电子器件方面具有巨大的应用潜力[1−3].然而,金刚石的n型和p型体掺杂(硼和磷)在室温下难以激活,在氢终端金刚石表面(即由C—H键覆盖的表面,可由氢等离子体处理金刚石表面获得)通过空气吸附等效应却可以在室温下出现空穴载流子,形成表面p型电导[4,5].因此,氢终端金刚石场效应晶体管( field effect transistor,FET)成为金刚石电子器件的核心结构.

单晶和多晶金刚石都可用于制备金刚石电子器件,单晶因为没有晶界且纯度高,理论上更适合制备高性能器件,但是面积小(如4.5 mm×4.5 mm)、价格非常昂贵,故器件成本和工艺难度都相当高.多晶较容易获得尺寸达2英寸(1 in=2.54 cm)的晶圆,且存在晶粒直径可达100µm以上、杂质浓度较低的高质量多晶材料,也可以实现高性能器件.目前,已经报道的氢终端金刚石FET最大输出电流1.3 A/mm(单晶)[6]、截止频率fT=53 GHz(单晶)[7],最大振荡频率fMAX=120 GHz(多晶)[8]和1 GHz下的输出功率密度2.1 W/mm(单晶)[9].国内关于多晶和单晶金刚石FET研究,已报道了1 GHz微波功率特性,输出功率密度分别为320 mW/mm和450 mW/mm[10].

FET器件在放大器中作为受控电流源,输出电流与输入电压之间的比例系数为跨导(gm),因此跨导是表征器件放大能力的重要指标.由器件的转移特性可获得跨导随栅源电压(VGS)的变化曲线,好的跨导特性意味着该曲线上具有宽阔的高跨导区,这种特性非常有利于实现高的频率特性和高线性的微波功率放大.例如文献[8]报道,栅长0.1µm,fMAX=120 GHz的高性能多晶金刚石FET器件,跨导最大值为143 mS/mm,且跨导高于最大值的90%的栅压范围达到1.5 V.

本文制作了高性能的长沟氢终端多晶金刚石FET,栅长4µm的器件的最大跨导达到32 mS/mm,且实现了宽阔的高跨导区.为了研究相关的机理,对器件特性进行了深入的分析.

2 实验过程

用于器件制备的金刚石是从元素六公司购买的利用化学气相淀积法制备的尺寸为10 mm×10 mm×0.3 mm的(001)多晶金刚石材料.将金刚石分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗15 min,去除金刚石表面可能存在的有机和无机污染物,获得清洁的金刚石表面.然后将金刚石材料放入到微波等离子化学气相淀积设备的腔体中,用氢等离子体处理.处理过程中,氢气流量为500 sccm(1 sccm=1 mL/min),压力和微波功率分别为80 mbar和2 kW.处理完成之后,在氢气氛围中冷却样品到室温,形成氢终端表面.将氢终端表面暴露在空气中若干小时,表面会出现一层含有某些带电离子(如OH−和HCO−3等[5])的吸附物,氢终端金刚石表面的电子会转移到吸附层中,从而在金刚石表面产生一层空穴载流子.随后使用热蒸发技术在金刚石表面蒸发厚度100 nm的金(Au)层,一方面保护氢终端金刚石表面,另一方面Au可以和氢终端金刚石表面之间形成欧姆接触.接着进行有源区光刻和Au的湿法腐蚀,用KI/I2溶液将有源区之外的Au腐蚀掉,然后将样品置于低功率的氧等离子体中处理10 min,则暴露出来的氢终端金刚石表面会变为具有高绝缘性质的氧终端表面,形成器件之间的隔离区.栅窗口光刻和将窗口中的Au进行湿法腐蚀后,光刻胶下方留下的Au形成源漏电极,同时Au的横向腐蚀将使源漏电极间距大于栅窗口对应的栅长.再使用热蒸发工艺在样品表面蒸发厚度为100 nm的铝(Al)层,利用光刻胶的掩膜作用在剥离工艺之后形成自对准栅,完成器件的制作,器件俯视图和剖面结构示意图见图1.所制备的金属-半导体场效应管(MESFET)器件栅长(LG)为4µm,栅宽(WG)为50µm.使用Keithley 4200半导体参数分析仪对器件的电流-电压(I-V)特性和电容-电压(C-V)特性进行了测试.

3 结果与讨论

器件的输出特性和饱和区的转移特性如图2和图3所示.在栅源电压VGS=−5 V时,饱和输出电流IDsat=160 mA/mm,由漏源电压VDS在0.1 V以下的I-V数据可得到导通电阻Ron=37.85 Ω·mm. 转移特性在VDS为−9 V时测量,可提取出阈值电压VTH=1.4 V.随着VGS从VTH向负电压方向变化,gm曲线呈平顶宽峰状,在VGS=−3.5 V时达到最大值32 mS/mm,跨导高于最大值的90%的高跨导区栅压范围达到3 V(−2 V ≤VGS≤−5 V),占VTH以上可测栅压范围的近一半.而且,根据gm与VGS的关系曲线形状,如果栅源之间还可以进一步加负压,则高跨导区还可以再加宽.与如此宽阔广的高跨导区相对应,器件的IDsat已达到国际上同等栅长的高性能氢终端金刚石MESFET的电流水平.例如,根据Hirama等[6]报道的器件IDsat随栅长的变化规律,LG=4µm的器件在VGS−VTH=−5 V时,IDsat约为100 mA/mm,从图2可以看到本文器件在同样的栅压下电流也在这个水平.

器件的跨导高与导通电阻低有密切的关系.根据Matsudaira等[11]报道的氢终端金刚石FET的电流增益截止频率fT随栅长的倒数1/LG变化的关系,2µm的栅长是器件从长沟特性向短沟特性的过渡点.图4和图5总结了已报道的长沟道Al栅氢终端单晶或多晶金刚石MESFET和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)器件的跨导和导通电阻随栅长变化的规律,图中也列入了本文的器件数据.可以看到,随着栅长的减小,跨导增加和导通电阻减小的趋势非常明显.本文的栅长4µm的MESFET器件获得的高跨导和低导通电阻具有明显的优势.

图2 器件输出特性Fig.2.Output characteristics of the diamond FET.

图3 器件转移特性图Fig.3.Transfer and transconductance characteristics of the diamond FET.

图4 长沟Al栅氢终端金刚石FET器件的跨导随栅长的变化(数据来自文献[12—18]),图中SCD和PCD分别指单晶金刚石和多晶金刚石,各MOSFET器件后的圆括号中给出了栅介质的成分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.

图5 长沟Al栅氢终端金刚石FET器件的导通电阻随栅长的变化(数据来自文献[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].

图6 片上传输线测试结构的电阻随电极间距的变化,电极宽度为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.

为了进一步分析本文器件中低导通电阻和高跨导的物理机制,我们测试了片上传输线测试结构的电阻随电极间距的变化关系[19](图6).提取出源漏电极的欧姆接触电阻RC=5.52 Ω·mm(对应比接触电阻率ρC=5.30×10−5Ω·cm2),氢终端多晶金刚石材料的方块电阻为5.71 kΩ/sq.与已报道的氢终端金刚石方阻数据5—20 kΩ/sq[20,21]相比,该方阻属于较低水平.器件的源极串联电阻(RS)和漏极串联电阻(RD)均由欧姆接触电阻和非零的栅-源和栅-漏通道电阻(Ra)组成.本文器件的栅极位于源极和漏极的正中间,所以RS和RD相等,可求得RS=RC+Ra=14.08 Ω·mm.

测得的器件gm即外跨导与器件的本征跨导gm0之间具有如下关系:

将所求得的RS=14.08 Ω·mm代入(1)式可得gm0峰值达58 mS/mm.

设栅下沟道电阻为Rch,则Ron可按以下关系分解:

根据Ron=37.85 Ω·mm, 可求出在VGS=−5 V时Rch=9.69 Ω·mm,相当于栅下的方块电阻(Rsh_ch)已降低到2.42 kΩ/sq,比氢终端金刚石材料的原始方块电阻(5.71 kΩ/sq)的一半还要低.

测试了器件在1 MHz下栅-源之间的C-V曲线,如图7所示.大量采用Al栅的氢终端金刚石MESFET器件和本文器件的栅正向耐压都显著高于Al在氢终端金刚石表面的肖特基势垒高度理论值(仅0.62—0.82 eV),分析其原因可能是在Al和金刚石的界面形成了氧化铝层,使MESFET器件实际上形成类似MOS栅的器件结构[22,23].因此Al栅氢终端金刚石MESFET用MOSFET器件的物理模型来分析更合适.图7中C-V曲线的实验平带电压VFB由d2CGS/dV2GS=0对应的栅压位置[24]确定,为1.67 V.电容从VFB向器件阈值电压(VTH=1.4 V)上升,随后进入宽广的平台区(0 V＞VGS＞−5 V),反映了栅对沟道载流子的控制作用从耗尽作用转变为累积作用.曲线上的电容最大值为0.374µF/cm2,若假设Al栅和金刚石之间的氧化铝介质的介电常数为3.5[21],则介质的厚度约为8.3 nm,与文献报道的5—10 nm相符[22,25].设栅下沟道的载流子面密度为pch,则由(e为基本电荷电量1.6×10−19C)可求出沟道载流子最大密度为1.56×1013cm−2.

MOSFET器件中Ron与沟道载流子的有效迁移率µeff具有如下关系:

设Cox近似为图7的C-V曲线电容最大值(0.374µF/cm2),由(3)式可得到µeff随栅压的变化关系如图8所示.随着VGS从VTH向负电压方向变化,µeff先迅速上升,随后在VGS达到−1.5 V后饱和,保持约在170 cm2/(V·s)基本不变.µeff达到近恒定值的栅压范围,与前述高跨导区的栅压范围−2 V≤VGS≤−5 V基本一致,还与图8插图的栅下沟道方阻Rsh_ch降到材料方阻Rsh以下的栅压范围一致.已报道的氢终端金刚石FET器件的µeff通常约为20—200 cm2/(V·s)[6,9,10,26],且在较高的负栅压(即栅极强正偏状态)下会出现迁移率的明显下降[21].而本文器件获得了负栅压下高而近似恒定的µeff,并且沟道载流子密度可达到相当高的水平,令Rsh_ch乃至Ron显著降低,gm0显著提高,实现了良好的器件特性.

图7 器件的C-V特性以及所计算出的沟道空穴浓度随VGS的变化Fig.7.Capacitance-voltage characteristics of the device,and the calculated hole density in the channel as a function of VGS.

图8 有效迁移率µeff和沟道方阻Rsh_ch随栅压的变化Fig.8.Gate voltage dependences of the mobilityµeff and the square resistance Rsh_ch.

4 结 论

基于多晶金刚石成功制备出导通电阻37.85 Ω·mm、最大跨导达到32 mS/mm、栅长4 µm的Al栅氢终端金刚石MESFET.器件转移特性显示出宽阔的高跨导区,跨导高于最大值的90%的栅压范围达到3 V(−2 V≤VGS≤−5 V).根据传输线电阻测试结果,发现器件获得的低导通电阻一方面是由于栅下沟道的方阻在高的负栅压下显著下降,另一方面是氢终端金刚石材料本身获得了较低的方阻,令源漏之间的串联电阻处于较低的水平.较低的源漏串联电阻也有利于提高外跨导.进一步利用器件的电容-电压特性发现器件的栅下沟道载流子密度达到了1.56×1013cm−2;由导通电阻随栅压的变化曲线提取有效迁移率,发现有效迁移率在−5 V≤VGS≤−1.5 V范围出现近恒定高值区(170 cm2/(V·s)).高载流子浓度和高迁移率有利于降低栅下沟道电阻,提高本征跨导.综上所述,较低的栅源和栅漏串联电阻、沟道中高密度的载流子和在大范围栅压内的高水平迁移率是获得器件高而宽阔的跨导峰和低导通电阻的原因.

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