摘 要

【資料圖】

金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，近年來成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。盡管在材料制備、器件研制與性能方面取得了一定進(jìn)展，但半導(dǎo)體摻雜技術(shù)至今沒有很好解決。氫終端金剛石由于具有典型的二維空穴氣被廣泛應(yīng)用于微波功率器件的研究，但其存在穩(wěn)定性不佳、界面態(tài)濃度較高等問題。相比而言，近年來出現(xiàn)的硅終端(C–Si)金剛石具有比氫終端(C–H)金剛石更低的界面態(tài)密度、更高的閾值電壓、載流子密度和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，有望解決氫終端金剛石半導(dǎo)體器件的問題。硅終端金剛石電子器件表現(xiàn)出高閾值電壓的增強(qiáng)型特性，其機(jī)制尚不明確。本文從氫終端金剛石的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理出發(fā)，分析限制其發(fā)展的主要問題，并綜述了硅終端金剛石的導(dǎo)電機(jī)理、制備方法以及相應(yīng)的界面結(jié)構(gòu)，初步分析了硅終端MOSFETs的性能水平，最后闡述了目前硅終端金剛石發(fā)展存在的問題并展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：硅終端金剛石、金剛石半導(dǎo)體、場效應(yīng)管器件

研究背景

由于 C–H 偶極子的自發(fā)極化與空穴的累積相關(guān)，C–H 偶極子的電負(fù)性與 C–Si 偶極子具有相似的特性，且 C–Si 偶極子具有更大的負(fù)電子親和勢(shì)，因此可以預(yù)測(cè) C–Si 金剛石將表現(xiàn)出 p 型導(dǎo)電。Schenk 等人[49]通過控制注入 O2和 H2O 分子的量以及在空氣中暴露的條件下，研究了硅(100)金剛石表面的氧化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)硅終端表面平滑呈臺(tái)階結(jié)構(gòu)，氧化表面保留了–0.26 eV 的負(fù)電子親和能，在內(nèi)部形成了空穴累積層[50]。值得關(guān)注的是，由于 SiO2是一種理想的柵介質(zhì)，金剛石中的 C 與 SiO2中的 Si 直接鍵合為金剛石 MOSFETs 提供了更可靠的性能。

圖 3 (a)不同電負(fù)性的 C-Si 和 C-H 偶極子示意圖；(b)金剛石/SiO2界面 C-Si 金剛石亞表面的空穴聚集示意圖[48]

2.3.2 C–Si 金剛石的界面分析與表征

一般認(rèn)為，當(dāng)形成 C–Si 金剛石時(shí)，會(huì)在金剛石末端界面形成單分子層或多分子層，類似于SiC/金剛石界面，當(dāng)金剛石氫化后，金剛石的 VBM 比 SiC 高 1.5 eV 以上[51]。當(dāng)電子親和力接近–0.9 eV 時(shí)[52]，SiC/金剛石界面的能帶偏移約為1.0 eV，足以在C–Si結(jié)合的金剛石亞表面積累空穴。值得注意的是，C–Si 金剛石界面不可避免的出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，換言之，我們希望在硅終端金剛石的界面形成 C–Si–O 鍵合，而避免 C–O–Si 鍵合的生成。這主要是由于 C–O 鍵會(huì)導(dǎo)致金剛石表面密度升高[53]，而高界面密度狀態(tài)會(huì)降低金剛石器件溝道的性能。如 SiC 半導(dǎo)體器件的遷移率被限制在 100 cm²·V^?1·s^?1以下[54]。界面態(tài)密度(Dit)可由以下公式算出:

其中，K、T、q、CD、Cox 分別為玻爾茲曼常數(shù)、溫度、元電荷、耗盡層電容、柵氧化物電容。深層閾下區(qū) CD可忽略，COX為平面 Al2O3/SiO2 電容器的電容，

對(duì)于不同柵長，終端金剛石表面的溝道空穴遷移率(μFE)，可由以下關(guān)系得到：

其中：gm為溝道寬度歸一化的跨導(dǎo)可由線性區(qū)域的ID–VDS特性曲線導(dǎo)出：LG為器件的柵極長度。Fu 等[53]采用選擇氣相生長法制備了 C–Si 金剛石 MOSFETs 并對(duì)其表面的鍵合進(jìn)行了分析。圖 4為制備的器件溝道區(qū) C–Si 金剛石表面的俄歇電子能譜。其將場發(fā)射俄歇微探針測(cè)得的 C–Si 金剛石表面的俄歇電子能譜(AES)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn) SiC 和SiO2材料的典型 AES 數(shù)據(jù)對(duì)比。推測(cè)金剛石表面同時(shí)存在C–Si 和 O–Si 信號(hào)，由于硅譜峰更接近 SiC 的典型數(shù)據(jù)，C–Si 相關(guān)成分占主導(dǎo)地位。

2.4 C–Si 金剛石器件特性

目前基于 C–Si 溝道的金剛石場效應(yīng)管器件均呈現(xiàn)典型的增強(qiáng)型特征，這主要是由于硅終端金剛石表面柵氧化物的鈍化作用所致。氧化硅基的金剛石表面具有較高的負(fù)電子親和勢(shì)，在其表面形成了較低的能帶彎曲，導(dǎo)致表面溝道空穴導(dǎo)電性的消失，進(jìn)而使得閾值電壓向更負(fù)的方向偏移，獲得關(guān)斷狀態(tài)。只有當(dāng)柵極偏壓增加到足夠大時(shí)，空穴才會(huì)在柵極下方聚集形成 2DHG 溝道，使其導(dǎo)通，表現(xiàn)出增強(qiáng)型半導(dǎo)體器件的特性。同時(shí)由表面硅自氧化生成的柵極氧化物有較好的熱穩(wěn)定性，硅終端金剛石MOSFETs 表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定的增強(qiáng)型器件性能。北京科技大學(xué)朱肖華 [66]制備了硼摻雜的C–Si(001)單晶金剛石 MOSFETs 并對(duì)其輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) VDS=–1 V 時(shí)，對(duì)應(yīng)柵長的閾值電壓分別為 3.0、–7.5、–6.0、–4.5 V，且當(dāng) VDS=0~–30 V，VGS=–40~5 V 時(shí)，柵長 LG分別為 4、8、10、14 μm 的最大輸出電流密度分別為–220、–125、–86、–55 mA/mm，器件表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)型特性。

圖 6 氫終端和硅終端金剛石 MOSFETs 性能對(duì)比

為了提高硅終端金剛石場效應(yīng)管器件的電流密度，北京科技大學(xué)進(jìn)一步開發(fā)了硼摻雜增強(qiáng)溝道電流濃度，降低界面態(tài)的方法。通過利用重?fù)诫s技術(shù)和選擇生長技術(shù)在金剛石表面制備重硼摻雜區(qū)和未摻雜區(qū)，可以在 SiO2/金剛石形成碳硅鍵的同時(shí)有效降低源漏極歐姆接觸電阻，提高硅終端金剛石器件的綜合性能，增加其輸出電流密度。再者，隨著溫度的升高和偏壓的施加，硼原子變?yōu)槭苤麟x化態(tài)，空穴載流子濃度得到增加。Zhu 等[34]利用選擇氣相沉積法制備了具有高遷移率和良好的正常關(guān)斷操作的 C–Si 界面 SiO2/(111)金剛石 MOSFETs。

通過對(duì) C–Si 金剛石界面進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，金剛石與沉積的 SiO2界面均勻平整，且呈現(xiàn)出無應(yīng)變的結(jié)構(gòu)特征，當(dāng) LG 為 10 μm 時(shí)，通過計(jì)算其溝道空穴遷移率(μFE)達(dá)到 200 cm²·V^?1·s^?1，界面態(tài)密度(Dit)低至 3.8×10¹¹cm^?2eV^?1。

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