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                金剛石半導體器件的研究進展

                關鍵詞 金剛石 , 半導體|2021-08-10 09:48:45|來源 DT新材料
                摘要 摘要:金剛石因其優異的物理化學特性,被視為下一代電力電子器件的終極材料,金剛石半導體器件的制備受到了科研工作者的廣泛關注?文章對金剛石基二極管?開關器件和邊緣終止效應等方面的研究成...

                       摘 要:金剛石因其優異的物理化學特性,被視為下一代電力電子器件的終極材料,金剛石半導體器件的制備受到了科研工作者的廣泛關注?文章對金剛石基二極管?開關器件和邊緣終止效應等方面的研究成果進行了概述?著重闡述了金剛石半導體器件的電學特性,尤其是,在 500 ℃高溫條件下得到高正向電流密度,阻斷能力大于10 kV,并展現出長程穩定性的肖特基勢壘二極管;在金屬半導體場效應晶體管與金屬氧化物半導體場效應晶體管上制得阻斷電壓超過 2 kV 的開關器件?同時,針對加工技術帶來的表面缺陷,詳細討論了金剛石器件的表面終止技術和缺陷對器件性能的影響,并展望了金剛石半導體在肖特基勢壘二極管及場效應晶體管等領域的應用前景?

                       關鍵詞:金剛石;半導體器件器件;肖特基二極管;場效應晶體管


                       0、研究背景

                       對于提供低功耗和高頻操作的下一代電力電子器件,金剛石是一種極有前景的材料?金剛石具有極低的本征載流子濃度,有望實現低泄漏電流與高溫操作?表1比較了Si?4H-SiC?GaN?Ga2O3和金剛石的性能?金剛石具有很高的載流子遷移率(電子和空穴遷移率分別為4500和3 800 cm2/Vs)[1]?超高的擊穿電場(>10 MV/cm)?低介電常數(5.7)[2]和很高的熱導率(2 200 W/mK)?因此,人們期望基于金剛石基的功率器件能夠顯著地減少傳導損耗和開關損耗?

                       近十年來,金剛石生長技術得到了改進與提升,摻雜控制的 p 型?n 型金剛石和本征金剛石生長技術已經趨于成熟?因此,這些材料的電學特性不僅可以從理論上進行表征,而且可以用器件結構進行實驗研究?例如,用瞬態電流技術估算電子和空穴的載流子速度[3],用飛行時間和霍爾效應測量獲得載流子遷移率[4]?通過對平面肖特基勢壘二極管(Schottky barrier diodes,SBD)摻雜剖面和擊穿電壓的分析,得到了9.5 MV/cm的最大擊穿場強[5]?近年來報道了許多金剛石SBD的性能,如 Vmax>10 kV 的擊穿電壓[6-7]?大于 20 A 的大電流操作[8]等?在本文中,回顧了金剛石半導體器件的近期進展?

                       1、金剛石器件

                       1.1 二極管

                       單極和雙極二極管,如 p 型-本征-n 型二極管(p-type-intrinsic-n-typediode,PiND)?SBD?金屬本征 p 型二極管(metal-intrinsic-p type diode,MiPD)和肖特基pn二極管(Schottky pn diode,SPND)等具有代表性的器件性能參數已通過實驗測量如表2所示,金剛石二極管橫截面結構如圖1所示?

                       1.1.1 PiND 雙極 PiND 橫截面結構如圖 1(a)所示,Hathwar等[9]通過無臺式結構的PiND獲得了最高大于11.5 kV的最大擊穿電壓Vmax?當使用臺式結構時,由于泄漏電流增加,導致擊穿電壓降低?泄漏電流的增加被認為是由于臺面刻蝕過程中形成的缺陷所致?雙極金剛石器件由于載流子壽命短導致正向電流密度較低?

                       1.1.2 pVSBD 因為可以利用較高的晶體質量和低成本的半導體襯底,偽垂直肖特基二極管(pseudovertical SBD,pVSBD)結構非常適合金剛石二極管的制備[10-11]?如圖1(b)所示,具體制備流程是:首先在半導體襯底上生長出厚度為 1~3 μm 的重摻硼p+型層,然后沉積輕摻硼的p-漂移層?p-漂移層經選擇性刻蝕后,在 p+層上直接形成歐姆接觸?在這種結構中,耗盡層垂直延伸到漂移層,然而,正向電流在p+層中橫向流動?p+層中載流子的平均自由程隨接觸的面積增大而增大,相應地,p+的電阻不隨接觸面積的增加而降低?由于這種影響,pVSBD 目前傳輸電流的能力被限制在 5 A以下[12]?

                       pVSBD 金剛石的肖特基勢壘高度(Schottkybarrier height,SBH)具有很大的可控性,是其重要的優點之一?Craciun等[13]報道了氧終端的p型金剛石的SBH為1.2~3.4 eV,這與Si和SiC的禁帶范圍相當?特別是臭氧處理后的表面表現出較高的SBH和大于2.5 MV/cm的電場強度[14-15],從而無需邊緣終止技術?利用這種處理方法,ZrSBD器件實現了在6 V下的高反向阻斷電壓>1 kV和高電流密度>1 kA/cm2[16]?由于測試設備的測量限制,未發現該裝置的擊穿行為?但從 p-層摻雜濃度計算,最大擊穿場估計大于7.7 MV/cm?

                       Fiori 等[17]對肖特基界面也進行了一些研究?在正向偏壓條件下,金屬與氧端金剛石之間的載流子輸運可以用熱離子發射模型來解釋?然而,SBH與電負性差之間也存在反比關系[18-19]?Muret等[20]報告了勢壘的不均勻性對正向和反向特性都有影響并表明界面缺陷或界面電荷的存在取決于氧化方法?

                圖2 金剛石VSBD的電學特性:(a)在室溫25 ℃和300 ℃時的典型電流-電壓特性,(b)50 ℃和250 ℃下的關斷特性,(c)在400 ℃退火的電流電壓特性

                       圖2(a)為有50 μm大小肖特基接觸的pVSBD的典型正向和反向電流電壓特性?用 Mo 作為肖特基金屬,SBH為2.2 eV?在肖特基接觸電壓為-7 V時,室溫(RT)正向電流密度為1 800 A/cm2,在250 ℃時為 4 500 A/cm2?盡管未使用邊緣終止結構,其反向電場強度依然大于3.5 MV/cm?雖然未觀測到這些裝置的雪崩擊穿,但是由于泄漏電流的增加,截止電壓受到了限制?在此襯底上,75%的器件的擊穿場強 Emax大于 3 MV/cm?在考慮阻隔效應的情況下,金剛石 SBD 的漏電流可以用熱電子場發射來解釋,該模型與實測的泄漏電流吻合良好,即使在高溫下也是如此[21]?

                       1.1.3 VSBD VSBD 結構如圖 1(c)所示,圖 2(b)顯示了雙脈沖法測量的VSBD的典型關斷特性[22]?VSBD安裝在為高溫高功率器件設計的金屬/陶瓷封裝上,如圖 2(b)所示,可以看出關斷時間(turnoff time,trr)與溫度和正向電流密度無關?由于金剛石的介電常數較低,所以耗盡層電荷的反向恢復電荷Qrr小于SiC-SBD?金剛石SBD的快速開關性能是其應用在高頻低損耗電路的優點之一?

                       Young 等[23]研究了 VSBD 的肖特基界面在高溫下的長期穩定性,結果如圖2(c)所示?當肖特基界面穩定時,在250 ℃處,初始位移出現在1 h左右;然而,即使在400 ℃?1 500 h和500 ℃?250 h之后,Ru/金剛石界面的SBH?RON和理想因子也都未進一步降低?Pt/金剛石和WC/金剛石界面也表現出良好的熱穩定性,因為鉑族金屬需要的活化能極高或者在界面層形成金屬碳化物[24]?在10 MJ/kg的X射線照射下,金剛石VSBD的耐輻射性也得到了Umezawa等[25]的證實?

                       1.1.4 MiPD MiPD的截面結構圖如圖1(d)所示,是一種具有潛力的單極性金剛石器件?Brezeanu等[26]使用這種二極管結構實現大于2.5 kV的關斷電壓?在正向偏壓條件下, p+層注入的空穴在本征層(I層)中具有高遷移率,而I層在反向偏壓條件下阻斷高電壓?但是,因為正向電流是由空間電荷限制電流決定的,所以電流密度是有限的,尤其是在高溫下[27-28]?

                       1.1.5 SPND 當硼濃度大于1020/cm3時,與碳相比由于硼的共價半徑較大,即使在金剛石中可能存在 高 硼 摻 雜 濃度,晶格膨脹也不能忽略[29]?Kitagoh等[30]用X射線衍射和透射電鏡證實了晶格在產生大量位錯后發生的弛豫,測定了8×1021/cm3摻硼薄膜的臨界厚度為200 nm?Alegre等[31]估算了(001)生長的臨界硼濃度為3.2×1021/cm3,并得出結論:位錯的產生是由于鄰近效應?因此,在p+/襯底上生長的漂移層(如pVSBD)具有源自缺陷p+層的高密度位錯?為了避免這種影響,Nagase 等[32]首先在高質量的半絕緣基片上生長一層 p-漂移層,然后生長一層 p+接觸層,最后從背面蝕刻50 μm厚的基板,在p層上制備肖特基接觸?利用該結構獲得了最大擊穿電壓 Vmax為700 V?

                       由 Makino 等[33- 34]報導了 SPND,如圖 1(e)所示,其最高電流密度超過60 kA/cm2?它們在頂部具有肖特基接觸的p+接觸層上使用輕摻雜n型漂移層?在正向偏壓的條件下,n型層仍耗盡,使得從 p+層注入的空穴通過飽和速度流過 n 型層,因此,正向電流密度與n型層厚度幾乎無關,另一方面,阻斷電壓由 n 型層的厚度確定?Makino 等[35]還報告了用trr小于30 ns的快速關斷,這在常規PN結二極管中是不可能的?n型摻雜濃度隨漂移層厚度的增加而減小從而提高 Vmax,保持漂移層在正偏壓區的完全耗盡狀態?

                       1.2 開關器件

                       將金剛石用于開關器件的研究始于 20 世紀80年代?表3和圖3分別列出了金剛石開關器件的性能及其典型結構?

                       1.2.1 BJT Prins[37]首先利用天然p型金剛石晶體作為具有n型發射極和通過碳離子注入形成的集電極區域的基極電極來實現雙極結型晶體管(bipolar junction transistor,BJT)?然而,由于制造工藝等問題,電流無增益效果?

                       1.2.2 MESFET 與 MISFET 在 BJTs 這一發現之后 ,金 屬 半 導 體 FET(metal-semiconductor fieldeffect transistor,MESFET)[38]和金屬絕緣體半導體FET(metal- insulate- semiconductor field effect tran?sistor,MISFET)[39]也在天然金剛石晶體上實現了擴散摻雜或離子注入摻雜?21世紀初,在化學氣相沉積(CVD)外延生長技術建立之后,這種情況發生了巨大的變化?具有可控性很強的SBH的肖特基接觸可以簡單地被制造在氧終端的金剛石表面?因此,深耗盡型 MESFET 在高溫條件下具有高阻斷電壓和低柵漏電流的工作特性?

                       1.2.3 MOSFET Pham等[40]研究深耗盡型金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal-oxide-semicon?ductor field- effect transistor,MOSFET)表 明 ,在500 ℃退火,在累積條件下,柵漏電流急劇減小?

                       1.2.4 JFET 結柵場效應管(junction gate FET,JFET)也是典型的常開器件,其結柵下面通道中的耗盡層由柵極偏壓控制[41]?由于金剛石 PN 結內建電勢大于 5 eV,使常關式操作成為可能[42]?JFET 在室溫和200 ℃下均能阻斷大于600 V的電壓,擊穿場強>6 MV/cm?高質量的橫向PN結決定了高電場強度[43-44]?Iwasaki等[45]實現了JFET的更高的電流密度458 A/cm2的雙極運行?

                       1.2.5 H-FET 氫終端對金剛石表面的電學特性起著重要的作用?金剛石經過化學氣相沉積后的典型表面結構為氫終端,會呈現二維 p 型表面導電?這個表面導電層具有較高的載流子濃度(>1012/cm2)?較淺的厚度(<10 nm)和較低的活化能,這種表面導電層是場效應晶體管溝道的理想材料[46]?最近,Kitabayashi等[47]對H-FET的擊穿電壓進行了表征,與MESFET類似,通過將提高柵極與漏極的距離到 24 μm,H-FET 的  Vmax可提高到2 kV,這是金剛石場效應管的最高值?

                       Matsumoto 等[48]利用 OH 終端在(111)面金剛石上實現反型 MOSFET?他們用磷摻雜的 n 型層作為主體,以通過原子層沉積的Al2O3作為柵極絕緣體,在柵偏壓為 6.3 V 時形成了 p 型反轉通道?他們確定反轉遷移率為8 cm2/Vs?

                       由于金剛石的優異特性,它在制備電力電子設備方面具有巨大優勢?人們已經成功開發了各種FET結構,并取得了預期的結果?然而,在高功率晶體管的制備中,尋找合適的柵極絕緣材料仍是亟需解決的問題?金剛石晶體管常用的柵極絕緣材料有:Al2O3,SiO2,CaF2等?然而,這些材料的介電常數很低,無法完全控制金剛石的高空穴密度?另一方面,鐵電材料具有極高的介電常數,但是需要合適的過渡層材料來制造高功率金剛石晶體管?因此,選擇新的柵極絕緣材料對于制備新的基于金剛石的器件非常必要和緊迫?

                       2、金剛石的邊緣終止和缺陷

                       即使金剛石具有優異的材料特性,由于在電位分布變得陡峭的電極邊緣處發生擊穿,所以也需要邊緣終止技術?金剛石器件經常被觀察到從電極邊緣開始的硬擊穿?針對金剛石器件提出的典型的邊緣終止技術有:單極器件的絕緣膜;結終端擴展(junction termination extension,JTE)與絕緣多晶硅技術?

                       2.1 單極器件的絕緣膜

                       通過在肖特基電極和金剛石表面之間插入絕緣膜,可以使電極邊緣的電場松弛?Ikeda等[48-49]報道了以Al2O3和SiO2為絕緣體的金剛石SBD的優化絕緣層結構?他們指出,隨著FP的實施, Vmax提高了 2 倍以上,Al2O3的最佳厚度約為 1.5 μm,是SiO2厚度的1.7倍?Kato等[50]通過實驗證實了此方式可實現漏電流的減小和 Vmax的改善?然而,由于電極邊緣的場增強仍然存在,因此無法獲得理想的擊穿電壓?

                       2.2 JTE

                       由于通過離子注入或高質量n型選擇區生長,在p型金剛石表面都難以產生低阻的n型層,很少有團隊認識到 JTE 的金剛石結構?Huang 等[51]在VSBD邊緣注入H+離子以獲得與JTE相同的效果,并報告 Vmax為3.7 kV?

                       2.3 半絕緣多晶硅技術

                       與JTE相反,表面半絕緣鈍化層增加表面歐姆泄漏將提供均勻的表面電位分布,提高擊穿電壓,這被稱為半絕緣多晶硅技術,主要用于高壓硅器件[52]?這種技術被證實對金剛石SBD也具有類似的效果?用絕緣層技術在10 MJ/kg的X射線輻照金剛石SBD后,漏電流略有增加,達到10 μA/cm2?這種漏電流可能是由于通過輻照缺陷在Al2O3中的電荷傳輸,從而使 SBD 的擊穿電壓提高了 20%以上[25]?漏電流可以用弱反偏壓區的歐姆傳導和強偏壓區的熱電子發射來解釋,因而,擊穿仍然發生在電極的邊緣?

                        2.4 器件的缺陷研究

                       利用電子束感應電流(electron-beam inducedcurrent,EBIC)成像技術可以實現電極邊緣場增強的實驗可視化[53]?加速電子束輻照金剛石會產生電子空穴對?當反向偏壓施加到 SBD 時,產生的少數載流子,即金剛石中的電子,被電場加速并在漂移層中成倍增加?在肖特基接觸處收集載流子作為電流,使與電子束掃描同步的電流映射對應于電場分布?如圖4(a)所示,具有100 V反向偏壓的金剛石 SBD 的掃描電子顯微鏡(scanning elec?tron microscope,SEM)和EBIC圖像,在肖特基接觸中心區域,平均電場為 1.3 mV/cm?如圖 4(b)所示,SBD周圍有一個橫向延伸的耗盡層,其表現為一個高EBIC強度區?但是,EBIC強度在耗盡層和極強信號區?熱點區域并不均勻?熱點的可能來源是與器件制造相關的結構缺陷,特別是與光刻和提升工藝有關的結構缺陷[54]?

                       缺陷也會導致器件性能下降?漂移層中的非外延微晶,是從襯底表面的污染物中生長出來的多晶粒子,是 VSBD[14]和 MESFET[55]中的致命缺陷?這些微晶大多可以通過控制生長條件和使用基片剝離技術來去除[56]?然而,諸如螺紋位錯等晶體缺陷的影響尚未得到解決?

                       X射線形貌是表征金剛石晶體缺陷的有力工具[57]?Watanabe等[58]在高壓高溫襯底上產生的位錯密度估計為104~105/cm2?這些位錯是通過化學氣相沉積膜傳播,以及由表面拋光缺陷產生的附加位錯[59]?Kato等[60]試圖用X射線形貌揭示漏電流與位錯類型之間的關系,假設每種類型的位錯對漏電流的增加都有其各自的貢獻?他們得出結論,邊緣和螺紋混合位錯對泄漏電流有相似的貢獻?Ohmagari等[61]表征了SBD的漏電流與陰極發光譜的帶A發射的關系,并得出結論:只有四重對稱發光模式的缺陷才會產生漏電流?

                       3、結 論

                       自同質外延生長技術和摻雜控制建立以來,金剛石器件的性能得到顯著地提高?目前實現了在500 ℃高溫下,高正向電流密度并展現出長期穩定性的肖特基勢壘二極管;具有低阻耗且阻斷能力大于10 kV的二極管也被實現?在開關器件方面,實現了金屬半導體場效應晶體管與金屬氧化物半導體場效應晶體管的阻斷電壓超過2 kV?然而,器件制造技術的缺乏仍然限制了器件的性能?離子注入和選擇性區域生長形成邊緣終端結構與MOS結構制備技術一起,成為使金剛石發揮優異性能的必備技術條件之一?但是由于金剛石極好的化學穩定性與極高的硬度,給金剛石微結構處理帶來了較大困難,為了提高器件的制造與器件的性能,對表面結構?界面結構和缺陷結構開展更深入的研究是十分必要的?

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