氫終端單晶金剛石反相器特性*

邢雨菲 任澤陽2)? 張金風2) 蘇凱 丁森川 何琦 張進成 張春福 郝躍

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

2) (西安電子科技大學蕪湖研究院,蕪湖 241002)

超寬禁帶半導體金剛石材料在高溫、高壓電路中具有重要的應用潛力.本研究采用微波等離子體化學氣相沉積生長的單晶金剛石襯底制備了原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)的Al2O3 柵介質的氫終端金剛石金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件,并與負載電阻互連,成功制備了金剛石反相器.4 μm 柵長的氫終端金剛石器件實現了最大113.4 mA/mm 的輸出飽和漏電流,器件開關比高達109,并在不同負載電阻條件下均成功測得金剛石反相器的電壓反轉特性,反相器的最大增益為10.

1 引言

金剛石屬于新一代超寬禁帶半導體材料,具有禁帶寬度大、載流子遷移率高、熱導率高、化學穩定性好等一系列優點,在高頻、高溫、大功率電子器件等領域有著重要應用[1?3],但是由于一直缺乏合適的摻雜劑而阻礙了其發展與應用.將金剛石在氫等離子體氛圍中處理后形成的氫終端金剛石暴露在空氣氛圍中以后,其表面處形成一層二維空穴氣 (two-dimensional hole gas,2DHG),空穴的濃度通常在1012—1014cm–2,空穴遷移率通常在10—300 cm2/(V·s)[4?6].劉金龍等[7]在高質量金剛石表面制備氫終端時形成致密的薄碳層,實現了高達365 cm2/(V·s)的空穴遷移率.氫終端金剛石表面2DHG 廣泛應用于金剛石電子器件的研究.基于氫終端金剛石制備的場效應晶體管已經實現了最高70 GHz 的截止頻率[8],120 GHz 的最大振蕩頻率[9],2 kV 的擊穿電壓[10]以及最大3.8 W/mm(@1 GHz)的輸出功率密度[11].由于氫終端金剛石表面2DHG的形成與暴露在空氣中形成的表面吸附層有關,這也導致氫終端金剛石表面電導穩定性差的問題[12,13].為了實現氫終端金剛石場效應晶體管,研究發現,采用具有高功函數或者原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)的介質作為鈍化層能夠有效改善器件的穩定性.已有很多報道表明,采用H2O 作為氧化劑ALD 沉積的Al2O3介質非常適合于氫終端金剛石微波功率場效應晶體管的研制[8,14?16].此前Ren 等[17]研究也發現,采用300 ℃下ALD 沉積的Al2O3介質作為金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件的柵介質和鈍化層,不僅能夠有效改善器件的穩定性,還能夠有效保持氫終端金剛石表面的載流子濃度.

經過近20 年的發展,氫終端金剛石場效應晶體管的特性得到了不斷的提高,已經開始展現出其巨大的應用潛力.金剛石具有禁帶寬度大、載流子遷移率高的優點,在未來高溫邏輯電路應用中也有著巨大的應用前景.因此,研究金剛石邏輯電路的制備,也有重要意義[18?20].現已證明Al2O3介質能夠實現穩定性好的高性能氫終端金剛石MOSFET器件.但是,目前尚未有報道采用ALD 外延的Al2O3介質制備氫終端金剛石邏輯電路.

本研究采用300 ℃ ALD 沉積的Al2O3介質作為柵介質和鈍化層制備氫終端金剛石MOSFET器件,并通過與在片制備的電阻(利用氫終端表面制備的電阻)互連,實現Al2O3介質的氫終端金剛石反相器,并對器件及反相器性能進行了研究.

2 實驗過程

本研究采用微波等離子體化學氣相沉積法外延制備的單晶金剛石作為襯底.襯底尺寸為8.0 mm × 8.0 mm × 0.5 mm,襯底為(100)晶向.在進行制備工藝之前,先將襯底置于250 ℃的HNO3與H2SO4溶液中清洗30 min,以去除襯底表面的污染物和非金剛石相雜質.然后依次將襯底在丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗15 min.將清洗完成的單晶金剛石放置于微波等離子體化學氣相沉積系統中進行氫等離子體處理,處理過程中,氫氣流量、甲烷流量、微波功率、壓強分別為500 sccm、1 sccm、2 kW 和100 mbar (1 mbar=100 Pa),處理過程中樣品表面溫度為800 ℃,處理時間持續30 min[14].處理完成后將氫終端金剛石暴露在空氣中,金剛石表面會形成一層2 DHG.在處理完成后的金剛石表面,采用電子束蒸發設備沉積一層100 nm 厚度的金層[21],該金層一方面能夠有效保護氫終端金剛石表面的2DHG,另一方面可以作為源漏電極的歐姆接觸金屬.接著采用接觸式光刻機進行光刻工藝,然后用KI/I2的水溶液腐蝕,形成器件的有源區.再用低功率氧等離子體對樣品進行表面處理,形成器件隔離.在進行柵窗口光刻工藝和窗口中金的濕法腐蝕之后,暴露出器件的柵窗口,采用ALD 設備,以H2O 作為氧化劑,300 ℃下在樣品表面沉積Al2O3介質,介質厚度為15 nm.然后,進行下一步光刻,定義器件的柵條.接著,采用電子束蒸發設備沉積一層100 nm 厚度的鋁,作為柵金屬.最后,通過金屬剝離工藝完成器件的制備.在器件制備的過程中,器件隔離完成之后的第二步光刻同時在襯底表面制備了電阻圖形,并通過制備不同間距的電極,實現了不同阻值大小的電阻制備.

本研究制備的氫終端金剛石MOSFET 器件柵長為4 μm,柵漏間距和柵源間距均為2 μm,器件柵寬為50 μm.制備了電極間距分別為20,80和160 μm 三種不同阻值的電阻,電阻一端與器件的漏電極相連,另一端測試過程中接直流電壓.制備的器件剖面及俯視原理圖如圖1 所示.采用吉時利4200 設備對器件及反相器性能進行測試,所有測試均在室溫空氣環境中進行.

3 實驗結果及討論

本研究為得到實驗制備的三個不同間距電阻的阻值,首先對這三個電阻進行I-V特性測試.測試結果如圖2 所示,三個電阻都表現出非常好的歐姆接觸特性(圖2(a)),說明金與氫終端金剛石之間形成了良好的歐姆接觸.通過計算得到三個電阻值分別為16.7,69.5 和136.4 kΩ,并且電阻值隨著電極間距的變化而線性變化(圖2(b)),這也表明實驗制備的氫終端金剛石具有較好的穩定性.

圖2 器件負載電阻 (a) I-V 特性;(b) R1,R2,R3 電阻阻值Fig.2.The load resistance of device:(a) I-V relationships;(b) resistance values for the R1,R2 and R3 resistors.

氫終端金剛石MOSFET 器件的輸出特性曲線如圖3 所示.4 μm 柵長的器件在–6 V 的柵電壓下實現了最大113.4 mA/mm 的輸出飽和漏電流ID.本文總結了目前文獻中報道的不同條件沉積的Al2O3介質的氫終端金剛石MOSFET 器件的最大輸出飽和電流密度,如表1 所列.可以看出,本研究制備的氫終端金剛石MOSFET 器件,與目前報道的柵長4 μm 以上的Al2O3介質器件相比,具有最大輸出電流密度.從器件輸出曲線(見圖3),可以計算得到–6 V 柵電壓下器件的導通電阻Ron=83.68 Ω·mm.該導通電阻達到了Ren 等[17,22]報道的MOSFET 器件的同等水平.

表1 不同條件沉積的Al2O3 介質的氫終端金剛石MOSFET 器件的最大輸出電流密度Table 1.Summarization of the characterization of the H-diamond MOSFETs with the different temperatures grown Al2O3 as gate dielectrics.

圖3 氫終端金剛石MOSFET 器件輸出特性Fig.3.Output characteristics of the hydrogen-terminated diamond (H-diamond) MOSFET.

圖4 所示為漏電壓VDS=–10 V 時的器件飽和區轉移特性.從圖4(a)插圖中柵電壓VGS與漏電流平方根 |IDS|1/2的關系可以得到器件的閾值電壓VTH=5.2 V,實驗制備的氫終端金剛石MOSFET為耗盡型器件.器件在–0.2 V 柵壓下實現了24 mS/mm 的最大跨導.從圖4(b)器件對數坐標的轉移曲線可以得到,器件開關比達到了109以上,柵漏電流決定了器件的關態漏電.從圖4(c)可知,器件的最小亞閾值擺幅SS=117 mV/dec.

圖4 氫終端金剛石MOSFET 器件傳輸特性Fig.4.Transfer characteristics of the H-diamond MOSFET.

最后,對實驗制備的各種負載電阻下的反相器直流電壓傳輸特性進行測試,結果如圖5 所示,插圖給出了反相器的電路原理圖.測試過程中,VDD施加恒定電壓10 V.當Vin從12 V 變化到0 V,對于所有的負載電阻情況,都觀察到了反相器特性.當 |VGS|<|VTH| 時,金剛石MOSFET 器件關閉,此時,VDD到地之間電流幾乎為零,因此輸出電壓Vout=0 V.當 |VGS|>|VTH| 時,金剛石MOSFET 器件開啟,Vout為導通電阻與負載電阻的分壓,器件的導通電阻遠小于負載電阻值,因此Vout=10 V.由此可以看出,當輸入為高電平時,輸出為低電平;當輸入為低電平時,輸出為高電平,也就是實現了反相器特性.由圖5 還可以看出,當負載電阻增大時,輸出的低電平更低.

圖5 不同負載電阻的邏輯反相器的電壓傳輸特性Fig.5.The voltage transfer characteristics of the logic inverter with the various load resistors.

計算得到該反相器不同負載電阻情況下增益與輸入電壓Vin的關系如圖6 所示.隨著負載電阻的增大,反相器增益的最大值出現的Vin值左移,并且隨著負載電阻阻值的增大,反相器增益呈現出先增大后減小的趨勢,最大增益為10.

圖6 反相器不同負載電阻情況下增益與輸入電壓的關系Fig.6.Relationship between Vin and the gain of the inverter under different load resistances.

反相器增益的定義為輸出電壓變化率與輸入電壓變化率之比(dVout/dVin),電路滿足VDD=VDS+Vout=VDS+IDRD,在輸出特性曲線上做圖中負載線.隨著RD的增大,負載線與縱坐標ID的交點下移.如圖7(a)所示,當器件在恒流區工作時,隨著RD的增大,固定輸入電壓Vin,輸出電壓Vout的變化率逐漸增大,因此反相器增益增大.如圖7(b)所示,當器件在可變電阻區工作時,隨著RD的增大,固定輸入電壓Vin,輸出電壓Vout的變化率逐漸減小,因此反相器增益減小.

圖7 (a)恒流區器件輸出電壓變化;(b)可變電阻區器件輸出電壓變化Fig.7.(a) Output voltage variation in saturation area;(b) output voltage variation in variable resistance area.

當Vin=8 V,RD=136.4 kΩ 時,Vout=7.6 V,計算可得:|VDS|=2.4 V,|VGS|–|VTH|=3.1 V,因此器件已經進入可變電阻區,增益減小.

本研究成功制備并測試驗證了金剛石反相器特性,表明超寬禁帶半導體金剛石在數字電路中具有應用潛力.未來將通過提高器件特性,進一步提高金剛石反相器的性能,并通過制備金剛石增強型器件,降低反相器的靜態功耗.

4 結論

用ALD 生長的Al2O3介質制備了柵長為4 μm的氫終端金剛石MOSFET 器件,并通過互連負載電阻,制備了氫終端金剛石反相器.4 μm 柵長的器件實現了113 mA/mm 的最大輸出飽和漏電流,器件開關比達109以上.器件測試表明,當輸入電壓由12 V 變化到0 V 時,輸出電壓實現了由0 V 變化到VDD(10 V),成功實現了基于耗盡型MOSFET的氫終端金剛石反相器.當負載電阻由16.7 kΩ 變化到136.4 kΩ 時,反相器增益呈現出先增大后減小的趨勢,最大增益為10.本研究為金剛石在集成電路的應用奠定了基礎.此外,基于增強型的氫終端金剛石反相器邏輯電路也正在研究過程中.