不同晶面的氫終端單晶金剛石場效應晶體管特性*

張金風 徐佳敏 任澤陽? 何琦 許晟瑞 張春福 張進成2) 郝躍

1) (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)

2) (陜西省石墨烯聯(lián)合實驗室,西安 710071)

通過微波等離子體化學氣相淀積技術生長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為6 μm的氫終端單晶金剛石場效應管,從材料和器件特性兩方面對兩種晶面金剛石進行對比分析.(110)面和(111)面金剛石的表面形貌在氫終端處理后顯著不同,光學性質則彼此相似.VGS=—4 V時,(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;其導通電阻為48.51 Ω·mm,只有(110)金剛石器件導通電阻的67%.通過對器件電容-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.分析認為,(111)金剛石器件獲得更高飽和電流和更低導通電阻,應歸因于較低的方阻.

1 引 言

金剛石擁有一系列優(yōu)點,比如禁帶寬度大(5.5 eV),熱導率高 [22 W/(cm·K)],擊穿場強大(＞10 MV/cm),載流子遷移率高[電 子4500 cm2/(V·s)、空穴 3800 cm2/(V·s)][1-4].因此金剛石被認為是理想的半導體材料,特別是在高頻、高功率和高溫器件應用中具有遠大前景.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,其暴露在空氣中會吸附類受主原(離)子基團,室溫下也可在亞表面區(qū)域產生一層二維空穴氣(twodimensional hole gas,2 DHG),非常適合用作場效應晶體管的導電溝道.目前大多數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].根據文獻報道,基于多晶金剛石制備的氫終端場效應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.目前,氫終端金剛石場效應晶體管特性已達最大輸出電流為 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道.

采用微波等離子體化學氣相淀積(MPCVD)的方法在高溫高壓(HPHT)金剛石襯底上外延生長單晶金剛石,對其切割分別得到(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-半導體場效應晶體管(MESFET).(110)和(111)晶面單晶金剛石上柵長為 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層面進行分析研究.

2 實驗過程

實驗中使用的金剛石襯底是高溫高壓型襯底.首先,對襯底進行預處理:先進行精細拋光,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襯底刻蝕30 min,去除拋光帶來的機械損傷.其次,將預處理后的襯底放入MPCVD設備的腔體中外延生長得到3.5 mm厚的單晶金剛石,通過激光切割以及研磨后得到(110)和(111)晶面單晶金剛石.生長過程中壓強、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],用來與氫終端金剛石形成歐姆接觸,同時保護氫終端表面.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.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,同時由于金的橫向腐蝕,實際的源、漏電極間距大于柵窗口定義出的柵長.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MESFET器件的制備.制備的器件柵長為 6 μm,柵寬為 50 μm.對 (110)和 (111)晶面單晶金剛石片分別進行了原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光 (PL)和Raman測試,用Keithley 4200半導體分析儀測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Fig.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 結果與討論

分別對氫等離子體處理前后的(110)和(111)單晶金剛石表面進行AFM測試,測試面積為 5 μm×5 μm.氫等離子體處理前后的樣品測試結果分別如圖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.出現刻蝕坑的原因可能是,氫處理之前的樣品上存在位錯,這些位錯在經過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為排列有序的長條狀形貌,而且表面粗糙度變化不大,均方根粗糙度為1.14 nm.

Raman和PL測試結果如圖4所示,測試時采用的都是波長為514.5 nm的激光器.(110)和(111)面金剛石的拉曼譜都出現了位于1332.5 cm—1的SP3雜化C—C鍵對應的金剛石特征峰,峰位沒有發(fā)生明顯的位移,說明樣品中張應力小.尖銳的特征峰和平整的基線表明(110)和(111)金剛石的結構有序度都很高,沒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,尤其在波長約為700 nm附近存在明顯的寬峰,而且該寬峰不是左右對稱型的,這表明其是由多個峰組合而成.對于CVD金剛石而言,該發(fā)光中心一般與N,Si有關.此外,PL光譜圖中還存在波長為575.7 nm和637.9 nm的發(fā)光中心,且(111)金剛石的峰強度較高,這表明了兩個樣品都存在中性的氮空位缺陷(即[N-V]0)、帶負電的氮空位缺陷(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)金剛石片并沒有因為表面晶向不同引起光學性質上的顯著差異.

圖5給出制備的柵長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,器件A與B的反向柵漏電皆小于2×10—6A/cm2.然而當柵電壓小于—3 V 時,器件A與B的正向柵漏電迅速增大,并且在柵電壓為—4 V 時分別達 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的柵正向耐壓都遠大于Al與氫終端金剛石表面的肖特基勢壘高度(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器件實際上成為了金屬-氧化物-半導體(MOS)的器件結構[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,但是高于 34.1 nm HfO2(4 nm ALD-HfO2/30.1 nm SD-HfO2) MOS器件[27],這也從另一面說明Al柵MESFET器件中應存在非故意引入的氧化鋁介質層.當柵電壓小于—3.3 V時,柵-源二極管的I-V特性可以通過關系式 I ∝V2exp(a/V+b) 進 行 Fowler-Nordheim 隧穿機制擬合[28],其中a和b是擬合參數.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果 (a) A器件I-V特性;(b) 圖(a)部分柵壓區(qū)的擬合結果;(c) B器件I-V特性;(d) 圖(c)部分柵壓區(qū)的擬合結果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)的導通電阻Ron隨著柵電壓變化而變化,當VGS=—4 V時,器件A的導通電阻Ron為71.93 Ω·mm,器件B的為48.51 Ω·mm,后者只有前者的67%.器件轉移特性如圖7所示,兩者都是VDS=—6 V時測得的.從關系中得到器件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,器件A和B的跨導都近似地線性增大,其最大值 gmmax可分別達到18.9 mS/mm和 21.51 mS/mm.此外,器件 A與B的開關比(on/off ratio)都達到108以上,在關態(tài)下的漏極電流與柵電流比較可知主要由柵漏電造成,說明器件隔離工藝和金剛石絕緣性都較好.

圖8總結了部分已報道的柵長4—11 μm的單晶金剛石場效應管最大飽和電流和最大跨導值隨柵長的變化關系,同時列入本文的器件數據.可以發(fā)現,在長溝道器件中,柵長6 μm的器件獲得的最大飽和電流和跨導都擁有明顯的優(yōu)勢,尤其是(111)金剛石上的器件B.

場效應管器件的特性主要由柵下溝道中載流子濃度、分布以及輸運特性來決定的.為了深入分析器件的特性,測試了器件在1 MHz下柵-源二極管的C-V曲線,結果如圖9所示.設柵下溝道中載流子的濃度為pch,通過C-V曲線以及關系式(e為基本電荷電量1.6×10—19C),可以計算得到器件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 氫終端金剛石場效應管輸出電流(a)和最大跨導(b)隨柵長的變化(數據來自文獻[26,27,29—33]),MOSFET器件給出了柵金屬和柵介質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,而飽和電流和導通電阻的差異較大,可以推測出(111)面的溝道載流子遷移率應略高于(110)面的溝道載流子遷移率,方阻則應低于(110)面.Kawarada等[9]報道了氫終端金剛石的霍爾特性,Kasu 等[34]報道了吸附 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.本文的結果從器件層面有力地證明了這一結論.

4 總 結

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對金剛石材料和器件特性的影響.材料特性方面,AFM測試結果表明,(110)金剛石表面在做完氫終端處理后出現了鷹眼狀的刻蝕坑,均方根粗糙度大幅度增加,分析認為該刻蝕坑是原樣品中延伸到表面的位錯經過氫等離子體刻蝕后所得.PL和Raman測試結果表明(111)金剛石和(110)面金剛石光學性質相似.

基于(110)和(111)單晶金剛石制備了柵長為 6 μm的 Al柵氫終端金剛石 MESFET器件A與B.在VGS=—4 V時,器件A的導通電阻為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.由轉移特性可得,器件A與B的最大跨導分別為18.9和21.51 mS/mm,且都有較大的開關比約108.通過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通電阻的主要原因是其方阻更低.本文的器件數據和已報道的柵長4—11 μm的單晶金剛石場效應管進行了比較,可以發(fā)現,最大飽和電流和跨導都擁有明顯的優(yōu)勢,尤其是(111)金剛石制備的氫終端場效應管.