吕元杰
, 宋旭波, 何泽召, 谭鑫, 周幸叶, 王元刚, 顾国栋, 冯志红
河北半导体研究所, 专用集成电路国家级重点实验室, 石家庄 050051
LV Yuan-Jie, SONG Xu-Bo, HE Ze-Zhao, TAN Xin, ZHOU Xing-Ye, WANG Yuan-Gang, GU Guo-Dong, FENG Zhi-Hong
中图分类号: TQ174
文献标识码: A
文章编号: 1000-324X(2018)09-0976-05
通讯作者:
收稿日期: 2017-11-9
修回日期: 2018-01-4
网络出版日期: 2018-09-20
版权声明: 2018 无机材料学报编委会 This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.
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作者简介:
作者简介: 吕元杰(1985-), 男, 博士, 副研究员. E-mail: yuanjielv@163.com
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摘要
采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在Fe掺杂半绝缘(010)Ga2O3同质衬底上外延得到n型β-Ga2O3薄膜材料, 材料结构包括600 nm未掺杂的Ga2O3缓冲层和200 nm Si掺杂沟道层。对掺杂浓度为3.0×1017和1.0× 1018 cm-3的样品进行了高温合金欧姆接触实验, 在掺杂浓度为3.0×1017 cm-3的样品上难以实现良好的欧姆接触, 掺杂浓度为1.0×1018 cm-3的样品实现了欧姆接触最低值(9.8 Ω•mm)。基于掺杂浓度为1.0×1018 cm-3的n型β-Ga2O3薄膜材料, 采用原子层沉积的Al2O3作为栅下绝缘介质层, 研制出Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。栅压为2 V时, 器件漏源饱和电流达到108 mA/mm, 器件峰值跨导达到17 mS/mm。由于栅漏电特性较差, 器件的三端击穿电压仅为23 V@Vgs = -12 V。采用高介电常数的HfO2或者Al2O3/ HfO2复合结构作为栅下介质能够改善栅漏电特性, 提升器件的击穿性能。
关键词：
Abstract
n-typed β-Ga2O3 was homoepitaxially grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on a Fe-doped semi-insulating (010) Ga2O3 substrate. The structure consisted of a 600 nm undoped (UID) Ga2O3 buffer layer and 200 nm Si-doped channel layer. High-temperature Ohmic alloy experiments were taken on two kinds of n-typed β-Ga2O3 with Si donor concentrations of 3.0×1017 and 1.0×1018 cm-3. It’s hard to realize good Ohmic contact on the β-Ga2O3 epitaxial layer with donor concentrations of 3.0×1017 cm-3. The lowest Ohmic value of 9.8 Ω•mm was obtained on the substrate with donor concentrations of 1.0×1018 cm-3. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) was fabricated based on homoepitaxial β-Ga2O3 film with donor concentrations of 1.0×1018 cm-3, in which Al2O3 grown by atomic layer deposition (ALD) was used as gate dielectric. The drain saturation current of the fabricated device reached 108 mA/mm at Vgs of 2 V, and a high peak transconductance of 17 mS/mm was obtained. Due to poor gate leakage, the three-terminal off-state breakdown voltage was just 23 V at Vgs = -12 V. The breakdown characteristics can be improved by introducing HfO2 with high dielectric constant or Al2O3/HfO2 composite structure.
Keywords：
氧化镓(Ga2O3)材料是一种超宽禁带半导体, 比氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)具有更为优越的物理特性, 成为近年来新型功率半导体材料与器件领域的研究热点[1,2,3]。氧化镓是一种Ⅲ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料, 室温下禁带宽度可达到4.8 eV, 有5种不同的多形体结构, 其中β相(单斜)结构最为稳定, 其余四种为亚稳定结构。一般Ga2O3薄膜由于存在氧空位而呈现n型导电, 可以通过掺杂硅(Si)和锡(Sn)等杂质实现精确的n型掺杂, 但p型Ga2O3的制备仍然是一个世界性难题。Ga2O3材料的击穿电场强度可达8 MV/cm, 是SiC和GaN材料理论击穿场强的3倍左右, 非常适用于高击穿电压器件领域。巴利加(Baliga)优值是用来全面评价半导体材料在功率器件中的应用价值指数, 除与击穿电场强度有关, 还会受到电子迁移率和介电常数的影响。β-Ga2O3的巴利加优值是GaN的4倍、SiC的10倍以上。因此, 在达到相同耐压的条件下, 采用β-Ga2O3的单极器件在理论上的导通电阻仅为SiC的1/10、GaN的1/3, 这有利于减少电源电路的导通电力损耗, 最大程度上提高器件的功率密度。β-Ga2O3在制备大功率密度的功率电子器件方面具有得天独厚的优势。此外, Ga2O3单晶同质衬底为高质量低缺陷β-Ga2O3 外延奠定了基础, 而且Ga2O3单晶衬底可采用制备蓝宝石(Al2O3)衬底同样的工艺, 适合低成本的大批量生产, Ga2O3功率器件在制备成本方面有明显优势[4,5,6]。
目前国外已有很多关于β-Ga2O3器件的报道, 如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs), 金属半导体场效应晶体管(MESFETs)以及肖特基二极管等[7,8], 并取得了不错的研究成果。Wong等[9]利用分子束外延设备(MBE)在Fe掺杂(010)取向的Ga2O3单晶同质衬底上外延得到Si掺杂的n型β-Ga2O3外延薄膜, 并采用原子层沉积的Al2O3作为栅下介质, 同时结合栅场板结构研制出β-Ga2O3 MOSFET, 器件漏源电流开关比达到 109, 击穿电压超过750 V, 该值为目前Ga2O3 MOSFET器件报道最高值。Green等[1]采用金属有机气相外延(MOPVE)方法在(010)取向的Ga2O3单晶同质衬底上外延得到Sn掺杂的n型β-Ga2O3外延薄膜, 同样采用原子层沉积的Al2O3作为栅下介质, 研制出栅长为2 μm、栅源间距为 0.8 μm、栅漏间距为0.6 μm的β-Ga2O3 MOSFET, 器件的击穿场强超过3.8 MV/cm, 该值已经超过了GaN (3 MV/cm)和SiC (3.18 MV/cm)的理论击穿场强。Zhou等[10]采用撕拉法从(100)取向的n型Ga2O3衬底上转移获得纳米带状的β-Ga2O3材料, 研制出背栅结构的β-Ga2O3 MOSFET, 饱和电流达到1.5 A/mm, 为目前饱和电流报道最高值, 而且该器件可以通过改变撕拉薄膜的厚度实现阈值电压的调控, 阈值电压能够达到100 V[11], 但该方法获得的Ga2O3材料由于薄膜厚度等方面的限制, 难以实际应用。
国外在β-Ga2O3材料外延, 尤其是MOSFET器件方面已经取得了可喜的研究成果, 但是国内关于Ga2O3的报道仅限于单晶衬底、材料外延、探测器以及少量的肖特基二极管等方面[12,13,14], 在β-Ga2O3 MOSFET器件制备方面还未有报道。本工作基于n型β-Ga2O3 外延薄膜材料, 成功研制了β-Ga2O3 MOSFET器件。
图1为Ga2O3 MOSFET器件横截面结构示意图。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备在Fe掺杂半绝缘(010)Ga2O3衬底上外延得到β-Ga2O3 外延薄膜。外延材料从衬底往上依次为 600 nm非故意掺杂的Ga2O3缓冲层和200 nm Si掺杂的沟道层。这里制备了两种不同Si掺杂浓度的样品, 掺杂浓度分别为3.0×1017和1.0×1018 cm-3。室温霍尔测试表明, 这两种材料的载流子迁移率分别为42和20 cm2/(V•s)。
图1 Ga2O3 MOSFET器件横截面结构示意图
Fig. 1 Schematic cross section of the fabricated Ga2O3 MOSFET
在两种掺杂浓度的样品上分别开展了欧姆接触实验。欧姆接触电极采用Ti/Au (20/180 nm)两层金属, 随后利用快速退火设备在氮气氛围中退火1 min, 退火温度分别为400℃、450℃、500℃、550℃和 600℃。利用线性传输模型测量得到不同退火条件下器件的欧姆接触值(RC), 测试结果列于图2。由于Ga2O3材料超宽禁带的特性, n型掺杂浓度较低时, 难以实现良好的欧姆接触。从图2可以看到, n型掺杂浓度为3.0×1017 cm-3时, 在400~600℃的退火范围内, 欧姆接触电阻均大于35 Ω•mm, 欧姆接触很差; 当掺杂浓度提高到1.0×1018 cm-3后, 可以实现相对较好的欧姆接触, 450℃以下退火可以实现最低欧姆接触电阻为9.8 Ω·mm。采用离子注入工艺, 在欧姆接触区域形成重掺杂, 可以进一步降低欧姆接触特性, 降低器件导通电阻。
图2 不同Si掺杂浓度下欧姆接触电阻随退火温度的变化
Fig. 2 Change of Ohmic contact resistances with annealing temperature at different Si donor concentrations
基于欧姆接触实验结果, 本工作在Si掺杂浓度为1.0×1018 cm-3的β-Ga2O3 外延薄膜上制备MOSFET器件。器件制备工艺从台面刻蚀开始, 采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备, 并利用BCl3和Ar进行干法刻蚀, 氧化镓薄膜刻蚀速率约为90 nm/min, 台面刻蚀高度为300 nm。源漏欧姆接触采用Ti/Au (20/180 nm)两层金属, 随后在氮气氛围中 450℃下退火1 min。采用原子层沉积(ALD)设备在器件表面生长厚度为25 nm的Al2O3介质, 外延生长温度为250℃, 采用水(H2O)作为氧源。最后利用蒸发剥离工艺制备栅长为2 μm的栅电极, 其采用Ni/Au两层金属。图3为Ga2O3 MOSFE器件显微镜照片, 栅源间距(Lgs)为2 μm, 栅漏间距(Lgd)为7 μm。
图4为Ga2O3 MOSFET的直流输出特性曲线, 该曲线是利用半导体参数分析仪测量得到的。在输出特性曲线测试过程中, 漏端偏压(Vds)从0 V施加到20 V, 步长为0.1 V; 栅端偏压(Vgs)从2 V施加至-12 V, 步长为-2 V。从图4可以看到, 器件展示出良好的夹断特性。在栅偏压为2 V下, 漏源饱和电流达到108 mA/mm。从输出曲线外推得到开态导通电阻(RON)为128.5 Ω·mm。表1汇总了已报道的基于外延n型Ga2O3薄膜的MOSFET相关电学参数, 本研究外延的n型Ga2O3薄膜材料在掺杂浓度为1.0×1018 cm-3时, 载流子迁移率仅为20 cm2/(V•s), 远低于国外已报道的结果, 还需继续优化外延工艺, 降低电离杂质散射, 提升载流子迁移率。此外, 相比于已报道的Ga2O3 MOSFET器件, 本工作研制的器件展示出较高的漏源饱和电流密度, 这主要是n型Ga2O3薄膜材料的掺杂浓度较高导致的。掺杂浓度越高对器件的漏源饱和电流以及导通电阻越有利, 但会导致击穿特性变差。
表1 Ga2O3 MOSFET电学参数汇总
Table 1 Summary of electrical parameters for Ga2O3 MOSFET
| Doping concentration/cm-3 | Carrier mobility/ (cm2•V-1•s-1) | Drain source saturation current/ (mA•mm-1) | Breakdown voltage/V | Ref. | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.0×1017 | NR | 26 | 370 | [4] |
| 2 | 4.8×1017 | 19.7 | 60 | 200 | [1] |
| 3 | 3.0×1017 | 70-95 | 78 | 755 | [9] |
| 4 | 2.3×1017 | 24 | 0.24 | 612 | [11] |
| 5 | 4.0×1017 | 111 | 80 | 479 | [5] |
| 6 | 1.3×1018 | 96 | 150 | NR | [15] |
| 3.0×1017 | 42 | This work | |||
| 1.0×1018 | 20 | 108 | 23 |
图5给出了Ga2O3 MOSFET的转移特性曲线。该测试曲线是利用半导体参数分析仪测量得到的, 测试过程中漏偏压固定为18 V, 栅偏压从-14 V增加到2 V, 步长为0.1 V。器件的阈值电压(Vth)约为-10 V, 峰值跨导达到17 mS/mm。
图6为夹断状态下器件击穿特性, 测试过程中栅压固定为-12V, 同时监测漏源电流(Ids)和栅漏电流(Ig)。从图6可以看到, 器件的三端击穿电压为23 V, 此外还可以看到器件的栅漏电较大, 这是导致器件击穿特性差的主要原因。在器件制备过程中同时制备了金属/Al2O3/金属的电容结构, 发现该结构的绝缘特性良好, 两端电流为10-11 A量级, 击穿电压大于200 V。因此, 本工作生长的Al2O3介质具有良好的绝缘特性。器件栅漏电较大可能是由于Al2O3与Ga2O3的界面态导致的。据文献报道, 采用H2O作为氧源制备的Al2O3介质容易在异质界面处产生高浓度的固定正电荷和类受主界面态, 从而导致栅漏电较大[16]。表1汇总的Ga2O3 MOSFET器件都是采用Al2O3作为栅下介质, 且实现了很高的击穿特性。因此, 优化原子层沉积Al2O3介质工艺, 降低界面态是下一步的工作重点。同时, 将采用高介电常数的HfO2介质或者Al2O3/HfO2复合结构作栅下介质层降低栅漏电, 以提升器件击穿特性。
图6 Ga2O3 MOSFE器件的三端击穿特性曲线
Fig. 6 Three-terminal off-state breakdown characteristics for the Ga2O3 MOSFET
基于同质外延的n型β-Ga2O3薄膜材料研制出了Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。n型β-Ga2O3薄膜材料是在铁掺杂的半绝缘(010) Ga2O3衬底上同质外延实现的, 材料结构包括600 nm未掺杂的Ga2O3缓冲层和200 nm硅掺杂的Ga2O3沟道层, 其中沟道层n型掺杂浓度为1.0×1018 cm-3。Ga2O3 MOSFET器件采用25 nm Al2O3作为栅下绝缘介质层, 研制的器件漏源饱和电流为108 mA/mm @Vgs=2 V, 峰值跨导达到17 mS/mm。由于栅漏电特性较差, 导致器件的三段击穿电压仅为23 V@Vgs= -12 V。通过引入高K介质, 如HfO2或Al2O3/HfO2复合结构作栅下介质层来改善漏电特性能够进一步提升器件的击穿特性。
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Ge-doped β-Ga2O3 MOSFETs . |
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High-performance depletion/ enhancement-mode β-Ga2O3 on insulator (GOOI) field-effect transistors with record drain currents of 600/450 mA/mm . |
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Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single- crystal β-Ga2O3 (010) substrates . |
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Ga2O3 Schottky barrier diodes fabricated by using single-crystal β-Ga2O3(010) substrates . |
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Field-plated Ga2O3 MOSFET with a breakdown voltage of over 750 V . |
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β-Ga2O3 on insulator field-effect transistors with drain currents exceeding 1.5 A/mm and their self-heating effect . |
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Enhanced-mode Ga2O3 wrap-gate fin field-effect transistors on native (010) β-Ga2O3 substrate with high breakdown voltage . |
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Heteroeptitaxy, ultraviolaet and luminescence characterizations of β-Ga2O3 grown using LMBE . |
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Research progress of Ga2O3 UV photodetectors . |
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