氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响

DT半导体材料 2022-01-04 18:00

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引言

半导体技术是现代电子信息科学技术发展的基石，随着电子技术朝着高频率、大功率方向发展，传统的半导体材料如硅、砷化镓、氮化镓等已渐渐不能满足器件需求，未来电子信息技术的发展和应用对寻找下一代半导体功能材料的需求日益迫切。

金刚石是重要的超宽禁带半导体材料之一，具有众多非常优异的性质。金刚石禁带宽度5.47eV，其击穿电场高达10MV/cm，是SiC和GaN的3倍，Si的30倍，此外金刚石还具有超高的热导率，可以大幅度低功率器件的结温。在大功率器件Baliga、高频器件Johnson和集成逻辑电路keyes等各项性能指标中，金刚石也均远高于其他常用半导体材料。这些优点，使金刚石在大功率器件开发、高频器件以及耐辐射集成电路等领域成为最重要的基础材料之一。

目前，利用氢终端金刚石研制场效应晶体管(FET)器件已成为微电子领域内的重要研究课题。1992年Maki和Shikama等对氢终端金刚石MISFET进行测试分析发现使器件导电的原因在于金刚石亚表面层存在空穴载流子。1994年，日本早稻田大学Kawarada等基于二维空穴气沟道研制出了首个金刚石场效应晶体管件，为金刚石射频器件的发展奠定了基础。2012年，Hirama等制作的多晶金刚石MOSFET电流输出达到1.35A/mm。2018年，美国陆军实验研究室研究了采用自对准技术研制的金刚石射频器件在2GHz.频率下的功率输出特性，器件饱和电流密度600mA/mm，输出功率密度达到了660mW/mm。2019年，Imanishi等制造的氢终端金刚石器件在1 GHz频率下最大输出功率密度突破了3. 8 W/mm。

近年来，国内对氢终端金刚石FET器件的研究也取得了一系列突破性的成果。2013 年河北半导体研究所和北京科技大学合作，在多晶金刚石上制备了栅长2 μm的氢终端MESFET，最大电流密度204 mA/mm，电流增益截止频率1.7GHz，这也是国内首次报道金刚石射频器件。2018年，南京电子器件研究所将金刚石射频器件电流增益截至频率大幅度提升至70GHz，打破国外53GHz的最高纪录；2019年，研制出国际首个可在X波段下工作的金刚石微波器件；2020年，所研制的金刚石微波器件在2GHz频率下的输出功率密度突破了1W/mm。除此之外，西安电子科技大学、西安交通大学、吉林大学等高校近年来也在开展氢终端金刚石器件及相关机理的研究。

由于化学气相沉积(CVD)生长的金刚石缺陷密度低、晶体质量高,满足电子级应用需求,金刚石射频器件的研制普遍采用CVD金刚石材料。CVD法生长单晶金刚石的速率较慢,研究发现,在气源中掺杂氮可以有效提升金刚石的生长速率，实现高速生长。然而,氨掺杂会在单晶金刚石中引入缺陷,从而影响金刚石材料的晶体质量和器件的性能。本文采用自行研制的2.45GHz/6kW微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置进行不同氮含量单晶金刚石制备,并在此基础上完成氢终端处理和射频器件制备,系统研究了氮含量对金刚石材料质量和射频器件性能的影响。

1、实验

本实验采用MPCVD的方法在5 mmx5 mm x0.5 mm高温高压( HTHP)金刚石籽晶上外延生长单晶金刚石，高温高压晶种XRD摇摆曲线半峰全宽为0.008°(28.8arcsec)。首先，对籽晶进行预处理:先对籽晶表面及侧面进行抛光处理，减少籽晶表面位错缺陷；接着用浓硫酸与浓硝酸的混合溶液(体积比5:1)对籽晶加热酸洗30min，清洗籽晶表面由于机械抛光残留的金属杂质；再用无水乙醇和丙酮对籽晶进行超声清洗，去除籽晶表面的有机残留。其次，将预处理之后的籽晶放人MPCVD设备腔体中外延生长得到0.8mm左右的单晶金刚石，通过激光切割以及抛光得到尺寸为5mmx5mmx0.5mmCVD单晶金刚石。生长过程参数如表1所示，生长过程中通过调整气源中氮含量得到不同结晶质量的单晶金刚石。

通过上述实验确定出气氛中氮含量与晶体质量的关系，为了进一步确定晶体质量与氢终端场效应器件特性的关系，将上述不同晶体质量样品放人MPCVD设备中进行氢终端处理，氢终端处理过程中气源为高纯H₂，氢气流量为300 mL/min，氢化温度为650 ℃ ，功率为1 kW。氢终端处理完成后，关闭微波电源，维持气体流量以及系统压力，直至样品冷却至室温。

为了研究氮浓度对氢终端金刚石表面沟道及射频器件性能的影响，在1号高浓度氮掺杂和3号无氮掺杂的样品上同时开展大尺寸范德堡霍尔图形及金刚石射频器件的制备。首先在洁净的氢终端金刚石衬底上用电子束蒸发50nm厚的金，金不仅可以与金刚石表面沟道形成良好的欧姆接触，而且可以在后续工艺中有效保护沟道，防止其受到光刻胶的影响。用光刻胶保护沟道以及欧姆电极，采用稀释的KI/I₂溶液将无光刻胶保护区域的金腐蚀掉，并采用100W低功率氧等离子体对样品表面处理5min，将无光刻胶保护区域的氢终端转换成氧终端，从而实现器件与器件之间的电学隔离。然后采用电子束曝光技术在源漏电极之间刻写0.1 μm栅长的T型栅，用稀释的KI/I溶液将栅底下的Au腐蚀干净形成沟道。采用原子层沉积技术在样品表面沉积一层8 nm厚的Al₂O₃栅介质，并蒸发20/500 nm厚的Ti/Au金属剥离形成T型栅。之后，以光刻胶为掩膜将霍尔测试图形沟道上的Au腐蚀干净。最后，蒸发一层20/300 nm厚的Ti/Au金属对霍尔图形和器件的测试电极进行加厚。详细的工艺过程已在前期工作中报道。图1是金刚石范德堡霍尔测试图形以及金刚石射频器件的结构示意图。为了提升霍尔测试精度，霍尔沟道设计尺寸为1 mmx1 mm，沟道外均为绝缘的氧终端。

实验中采用红外测温仪对籽晶温度进行实时监测。在金刚石材料表征方面,采用帕纳科高分辨衍射仪进行单晶金刚石摇摆曲线测试,采用波长532nm的LRS-5型微拉曼(Raman)光谱仪进行拉曼光谱测试,采用ZGPHR Optical Profiler对样品表面粗糙度进行表征。在器件测试方面,采用NanometricsHL5500霍尔测试系统进行范德堡霍尔效应测试,采用安捷伦B1500A半导体参数分析仪和8510B矢量网络分析仪分别开展金刚石射频器件直流输出特性和小信号频率特性的测试。

2 结果与讨论

图2(a)为单晶金刚石生长速率随气源中氮含量变化的关系图，从图中可以看出，单晶金刚石生长速率随气源中氮含量增加而增大，夏禹豪等通过对等离子体发射光谱分析发现，氮元素促进单晶金刚石生长的主要机理为:它作为一种催化剂释放电子，提供额外能量加快单晶金刚石表面的化学反应来促进单晶金刚石的生长。

通过拉曼光谱仪完成样品光致发光( PL)光谱测试，激光波长532 nm，测试结果如图2(b)所示。[N-v]⁰和[N-v]^-两种氮存在形式分别对应光致发光谱中575 nm和637 nm的荧光峰。气源中未掺氮的样品PL谱线中只有572 nm的金刚石特征峰，无明显N-V相关的杂质峰，当气源中开始掺氮后，样品中N-V缺陷开始出现，且N-V缺陷强度随掺氮量的增多而增大。

图3(a)给出了单晶金刚石拉曼光谱对气源中氮含量变化的关系图。从图中可以看出，随着气源中氮含量的增加，金刚石本征峰展宽，并在1420cm^-1位置出现氮相关的荧光背底。本文通过高斯拟合计算出不同样品的拉曼半峰全宽来表征金刚石样品的结晶质量，结果显示，随着气氛中氮含量的逐渐增加，生长的单晶金刚石样品的拉曼半峰全宽逐渐增大，说明样品的结晶质量随着气氛中氮含量的增加而降低。

通过研究(004)晶面的X射线衍射峰的摇摆曲线来表征其结晶质量和位错密度，一般XRD摇摆曲线半峰全宽越低，表明其晶体结晶质量越好。图3(b)给出了不同氮含量下生长的金刚石样品的XRD摇摆曲线测试结果。从图中可以看出，随着气氛中氮含量的逐渐增加，生长的单晶金刚石样品的XRD摇摆曲线半峰全宽逐渐增大，表明晶体中位错密度逐渐增多。气氛中未掺氮的样品摇摆曲线半峰全宽与高温高压晶种XRD摇摆曲线半峰全宽数值基本一致，为30.6"，表明该条件下生长的样品晶体质量较高。

采用激光干涉仪对氢等离子体处理前后不同氮含量的样品表面进行粗糙度测试，测试面积为800μmx800μm。图4给出了氢等离子体处理前后的样品测试结果，处理之前单晶金刚石样品表面粗糙度为0.8~1 nm，氢等离子处理之后样品表面粗糙度依然控制在0.8 ~1.1 nm，说明合适的氢终端处理工艺不会对样品表面粗糙度造成影响。对不同氮含量的样品开展了范德堡霍尔测试，结果如表2所示。1号样品载流子面密度高达1.33x10¹³ cm^-2，但迁移率仅为64.4 cm²·V^-1·s^-1，导致其方阻高达7 316 Q/sq。2号样品的载流子浓度为1.02x10³ cm^-2，比1号样品略低，但迁移率提升至92 cm²·V^-1·s^-1，对应的方阻降低至6660Q/sq。3号样品由于无氮掺杂，晶体质量较1号和2号样品有较大提升，因此载流子受杂质散射的影响较小，迁移率大幅度提升至101 cm²·V^-1·s^-1，沟道方阻下降至5800 S/sq。

对采用不同氮含量样品研制的金刚石射频器件的直流输出特性进行了测试，结果如图5所示。其中实线和虚线分别为射频小信号测试前与测试后的直流输出特性曲线。器件漏压V_DS均从0V扫至-8V，栅压V_CS从-3V扫至1V，步长为0.5V。频率性能测试前，1号样品上的器件饱和电流密度为352mA/mm，导通电阻10.1Q·mm。2号和3号样品由于方阻较低，器件的饱和电流密度分别提升至426mA/mm和520mA/mm，导通电阻也分别下降至7.7 n. mm和6.4 Q·mm。测试完射频小信号后立即开展直流输出特性的测试，1号样品器件出现了严重的电流崩塌，饱和电流密度从352 mA/mm退化至254 mA/mm，导通电阻从10.1 Q·mm大幅度增大至17.7Q·mm。1号样品由于氮浓度较高，材料中存在大量的陷阱和缺陷，在测试射频的过程中，部分载流子会被陷阱俘获，导致器件的电流出现退化。由于陷阱释放载流子的时间常数较大，测试完小信号特性后接着测直流性能，载流子依然未能释放出来，因此在直流输出特性曲线中观察到了严重的电流崩塌现象。2号样品由于氮含量降低，饱和电流密度从426 mA/mm退化至400 mA/mm，导通电阻从7.7 Q·mm增大至10.9n·mm，退化幅度明显减小。3号样品由于未掺杂氮，晶体质量得到显著提升，材料中的陷阱和缺陷密度得到有效抑制，测试完小信号后再次测试直流特性，器件整体性能没有发生明显变化，饱和电流密度仍高达518mA/mm，较之前没有发生明显退化，导通电阻也仅轻微增大至7.1Q·mm。表明降低金刚石中的氮浓度可以有效降低缺陷密度，抑制器件的电流崩塌效应。

图6是金刚石射频器件射频小信号频率特性的测试结果。随着氮含量的降低，器件的频率性能逐步上升。1号样品金刚石射频器件最大电流增益截止频率f_T和功率增益截止频率f_ma_x分别为17GHz和22GHz，而3号样品的f_T和f_ma_x大幅度提升至32 GHz和53 GHz。金刚石射频器件的f_T和f_ma_x的可以通过公式( 1)和(2)计算得到，从公式中可以看出器件的频率特性与跨导g_m成正比，与源漏串联寄生电阻R_S和R_d成反比。一方面，随着氮含量的降低，沟道方阻逐步减小，器件串联寄生电阻逐步减小，跨导逐步提高，有利于提升其频率特性。另一方面，随着氮含量的降低，杂质浓度逐步降低，在小信号测试过程中器件电流崩塌得到逐步抑制，器件的频率性能能够充分发挥出来。因此，通过降低氮掺杂可以有效抑制金刚石射频器件的电流崩塌，并提升其频率性能。

3 结论

本文系统研究了氮掺杂对单晶金刚石结晶质量的影响，并对不同结晶质量单晶金刚石进行了氢终端处理以及射频器件制备，并深人研究了金刚石晶体质量对器件特性的影响。研究发现，单晶生长速率随着气源中掺氮量的增加而增大，但是随着气源中掺氮量的增加，单晶金刚石中NV缺陷数量增加，拉曼半高宽及XRD摇摆曲线变宽，晶体结晶质量变差。降低氮浓度可以有效降低缺陷密度，提升材料的结晶质量。范德堡霍尔测试表明，降低氮浓度后，载流子受到的杂质散射减弱，迁移率得到显著提升。采用高浓度氮掺杂样品研制的金刚石射频器件在测试射频性能时出现了严重的电流崩塌效应，器件的直流和频率性能均较差。采用无氮掺杂样品后，器件的电流崩塌得到有效抑制，电流增益截止频率f_T和功率增益截止频率f_m_ax，分别从17GHz和22GHz大幅度提升至32GHz和53GHz。因此，通过降低氮浓度提升材料的结晶质量可以有效提升金刚石射频器件的性能和可靠性。

来源：《氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响》

刘晓晨1,2，郁鑫鑫3,4，葛新岗1,2，姜龙1,2，李义锋1,2，安晓明1,2，郭辉1,2

( 1.河北省激光研究所,石家庄050081; 2.河北普莱斯曼金刚石科技有限公司,石家庄050081; 3.南京电子器件研究所,微波毫米波单片和模块电路重点实验室,南京210016; 4.南京大学电子科学与工程学院,南京210093)

DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20211101.025