金刚石器件分析进度探究

作者：袁明文 单位：中国电子科技集团公司

１金刚石场效应管

由于器件的有源沟道形成机理不同，形成了两种金刚石场效应管。一种是掺杂沟道型，依靠设计和掺杂（包括δ掺杂），场效应管具有较薄的高浓度掺杂层，即沟道层，多数器件采用带场板的栅电极和挖槽结构；另一种是表面沟道型，利用氢端面的金刚石表面性质，即氢端面产生的准二维空穴气，而不是依靠外部的杂质掺杂，形成器件的表面沟道，室温下完全激活的沟道电荷密度１０１３ｃｍ－２。目前，已经研究的金刚石场效应管主要有两类［２］。①δ掺杂场效应管（ＦＥＴ）：δ掺杂沟道金属－半导体场效应管（ＭＥＳＦＥＴ）；δ掺杂沟道结型场效应管（ＪＦＥＴ）。②表面沟道场效应管（ＦＥＴ）：表面沟道金属－绝缘物－半导体场效应管（ＭＩＳＦＥＴ）；表面沟道ＭＥＳＦＥＴ。大多数射频金刚石ＦＥＴ制作在高压高温生长的晶相（００１）金刚石单晶衬底上，以实现器件的高增益和射频工作。１９９４年，日本早稻田大学Ｈ．Ｋａｗａｒａｄａ等人［３］报道了空穴累积层沟道的金刚石ＭＥＳＦＥＴ。德国乌尔姆大学Ａ．Ａｌｅｋｓｏｖ等人［４］以及日本ＮＴＴ公司Ｍ．Ｋａｓｕ等人［５］提高了金刚石ＭＥＳＦＥＴ的性能，并测量了射频功率和噪声系数。２００５—２００６年，Ｋ．Ｕｅｄａ等人［６］改善了金刚石ＭＯＳＦＥＴ的性能，获得输出功率１Ｗ，特征频率ｆＴ为３０ＧＨｚ。Ｍ．Ｋａｓｕ等人［７］研制了大颗粒金刚石膜ＦＥＴ。Ｋ．Ｈｉｒａｍａ等人［８］采用高品质多晶ＣＶＤ大颗粒金刚石膜，获得ｆＴ和ｆｍａｘ较高的金刚石ＦＥＴ，其特征频率ｆＴ为４５ＧＨｚ，最高振荡频率ｆｍａｘ为１２０ＧＨｚ，源漏电流ＩＤＳ为－５５０ｍＡ／ｍｍ。这表明迄今为止采用多晶金刚石，尤其是４英寸衬底的金刚石电子器件最有前途。大颗粒金刚石ＭＯＳＦＥＴ也有良好结果，特征频率ｆＴ为４５ＧＨｚ，源漏电流ＩＤＳ为－７９０ｍＡ／ｍｍ。

１．１掺杂型场效应管为了利用本征ＣＶＤ金刚石的电荷传输特性，即高迁移率和低寄生电容，科研人员研究了金刚石掺杂型场效应管。他们不仅提出了金刚石ＭＥＳ－ＦＥＴ器件设计的侯选概念图，如图１所示的金属半导体场效应管［９］，而且制备出相关的实验器件，并获得初步的器件性能。

１．１．１Ｐ－Ｉ－Ｐ金属－绝缘物－半导体场效应管（ＭＩＳＦＥＴ）Ｐ－Ｉ－Ｐ表示具有本征有源沟道和重掺杂ｐ＋型源和漏的器件结构。这种晶体管结构的载流子传输概念与掺杂沟道ＦＥＴ不同，其电流就是空间电荷限制的电流。与硅晶体的情况相反，由于金刚石中氧端面的电势被钉扎，不受栅电势的影响，也不会形成反型层，电流传输就是纯粹的受限制的空间电荷。为了缩短器件的沟道长度并提高沟道电流密度，将器件设计成２维ＭＩＳＦＥＴ，经过腐蚀挖深槽、掺杂导电沟道、淀积栅介质和金属，加工后的示意图如图１（ａ）所示。栅极区下的空穴从源接触区进入附近栅下的沟道。栅介质将栅和沟道分开，注入电流又变成１维的传输。理论上，这种器件的优点在于本征材料的载流子实现没有杂质散射的传输，达到非常高的空穴迁移率，如报道过的３８００ｃｍ２／Ｖ•ｓ［１］。Ｈ．Ｅｌ－Ｈａｊｊ等人［１０］研究了δ掺杂沟道的ＭＩＳＦＥＴ，他们采用Ａｌ２Ｏ３栅二极管和栅极凹槽的结构，导致室温下整个沟道载流子激活，并实现对沟道电流的夹断调制。器件的栅长０．８μｍ，沟道电流密度为３０ｍＡ／ｍｍ，其特征频率ｆＴ和最高振荡频率ｆｍａｘ分别约为１和３ＧＨｚ。

１．１．２δ掺杂型ＭＥＳＦＥＴ具有单δ掺杂层的ＭＥＳＦＥＴ如图１（ｂ）所示，δ掺杂层位于两层“非掺杂”的本征金刚石层之间，其很薄，只有几个原子层厚。由于薄δ掺杂层的空穴扩散，主要是本征层具有导电性。具有双δ掺杂层的ＭＥＳＦＥＴ如图１（ｃ）所示，在源漏区下设计了顶层的δ掺杂层，以改善欧姆接触，减少寄生电阻，而埋层的δ掺杂层则形成器件工作电流。Ｍ．Ｓｃｈｗｉｔｔｅｒｓ等人［１］研制δ掺杂ＭＥＳＦＥＴ时，为了避免氢端面的金刚石表面电荷，采用了具有钉扎表面势能１．７ｅＶ的金刚石氧端面。在重掺杂区的表面形成源漏欧姆接触金属化，由２０ｎｍ厚的无定型Ｗ和Ａｕ的覆盖层组成，并采用电子束蒸发ＷＳｉ靶，再淀积金的金属化层，ＷＳｉ合金中Ｓｉ的组分是３３％。器件的设计图如图２所示，欧姆接触层直接淀积在硼的δ掺杂层上，这种方法使得源漏电极接触到较高的载流子区（位于δ掺杂层与本征层之间）。采用ＷＳｉ层的优点是高温稳定，并有利于选择外延。器件采用铝的肖特基接触，直接淀积在本征沟道层上，这种结构的肖特基势垒高达１．３ｅＶ。由于器件表面受到氧端面的屏蔽，必须采用挖槽工艺，即在Ａｒ／Ｏ２等离子体中反应离子腐蚀（ＲＩＥ）挖槽，提高栅电极的性能，并减少寄生电阻。器件的实际栅长０．５μｍ。该器件获得准晶体管的电流－电压特性，器件沟道具有夹断特性，但是源漏电流太小，小于１ｍＡ。

１．２表面沟道型场效应管采用氢端面的金刚石制备ＭＥＳＦＥＴ器件是一种不错的选择，即在ＣＶＤ制备金刚石过程中采用氢处理的表面导电沟道。这种ｐ型表面沟道器件具有很低的反向漏泄电流和较高的击穿电压，多数具有良好性能的ＭＥＳＦＥＴ采用自对准栅工艺。

１．２．１表面沟道型ＭＥＳＦＥＴ迄今为止，科研人员已经研究的金刚石ＭＥＳ－ＦＥＴ包括多种不同类型的金刚石衬底。①含氮的绝缘体金刚石［２］。该器件的栅长０．２μｍ，获得了良好的表面沟道ＭＥＳＦＥＴ的直流输出特性，最大漏电流密度高于３００ｍＡ／ｍｍ，最大漏偏压达６８Ｖ，其射频输出功率密度可高达３Ｗ／ｍｍ。最大可用增益和最大单向增益外推的特征频率ｆＴ为１１．５ＧＨｚ，最高振荡频率ｆｍａｘ为３１．７ＧＨｚ。②ＨＴＨＰ（００１）金刚石。在Ｍ．Ｋａｓｕ等人［７］制作同质外延金刚石（００１）ＦＥＴ时，在高温高压合成的单晶（００１）衬底上，采用微波等离子体ＣＶＤ技术同质外延约１μｍ厚的氢端面薄层，并在氢端面下几纳米厚的埋层，沿着表面形成稳定的空穴沟道。其空穴迁移率１５０ｃｍ２／Ｖ•ｓ，室温的表面密度５×１０１２ｃｍ－２。器件结构如图３所示，并采用标准的共平面多指结构。器件采用氧等离子体实现电隔离，直接在氢端面上淀积Ａｕ并金属化，形成欧姆接触。采用自对准形成Ｔ型的铝栅金属化。器件栅长０．１μｍ，栅宽１００μｍ，在１ＧＨｚ频率下，最高输出功率密度２．１Ｗ／ｍｍ，最高功率增益１０．９ｄＢ，附加效率３１．８％。③多晶金刚石。Ｋ．Ｕｅｄａ等人［６］研制的多晶金刚石ＭＥＳＦＥＴ采用自对准技术形成铝的肖特基栅电极，并在氢端面上制作金的源漏电极，如图４所示。该器件具有优良的直流和射频性能。其源漏电流密度ＩＤＳ为５５０ｍＡ／ｍｍ，跨导ｇｍ为１４３ｍＳ／ｍｍ，特征频率ｆＴ为４５ＧＨｚ，最高振荡频率ｆｍａｘ为１２０ＧＨｚ，远比最好的单晶金刚石ＦＥＴ的ｆＴ和ｆｍａｘ优越。Ｍ．Ｃ．Ｒｏｓｓｉ等人［１１］采用多晶金刚石研制的微波功率器件，即表面沟道型ＭＥＳＦＥＴ，其电流密度达到１２０ｍＡ／ｍｍ，在１ＧＨｚ频率下，输出功率密度０．２Ｗ／ｍｍ，线性功率增益７ｄＢ，附加效率２２％。Ｐ．Ｃａｌｖａｎｉ等人［１２］也研究了具有表面沟道的ＭＥＳ－ＦＥＴ直流和射频性能。器件采用氢端面的多晶颗粒金刚石薄膜，多晶颗粒尺寸为１００～２００μｍ，器件栅沟道长１～３μｍ，并采用自对准技术。栅长１μｍ的ＭＥＳＦＥＴ，其最大电流密度达１２０～１４０ｍＡ／ｍｍ，最高振荡频率ｆｍａｘ达３５ＧＨｚ。