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快速熱處理RTP在β-Ga2O3 MESFET器件中的應用
- 分類： 行業知識
- 作者：周酉林
- 來源：本站
- 發布時間：2024-05-23
- 訪問量： 306
【概要描述】β型氧化鎵（β-Ga?O?），是一種寬帶隙半導體材料，其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度（約4.4~···
快速熱處理RTP在β-Ga2O3 MESFET器件中的應用
【概要描述】β型氧化鎵（β-Ga?O?），是一種寬帶隙半導體材料，其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度（約4.4~···
- 分類： 行業知識
- 作者：周酉林
- 來源：本站
- 發布時間：2024-05-23
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β型氧化鎵（β-Ga?O?），是一種寬帶隙半導體材料，其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度（約4.4~4.9 eV），還具有較高的擊穿電場強度、較低的介電常數以及出色的熱導率[1]，這些特性使得它在制造高性能電子器件[2]方面具有得天獨厚的優勢。高溫電子器件在各種應用中至關重要，需要克服主動冷卻系統可用性、尺寸、重量、功耗和成本等問題。傳統的基于Si的技術可以在溫度高達200°C時運行，超過該溫度，材料的內在載流子濃度會降低其調制能力。Islam 等人[3]利用使用β-Ga2O3制造了金屬半導體場效應晶體管（MESFET），并實現了在500℃下的運行，表現出其在真空下高溫的穩定性，并給后續選擇適當的金屬和介質在更高的溫度下工作提供了很好的基礎。
圖1 MESFET器件結構示意圖和制備流程
圖1展示了MESFET器件的結構示意圖，同時詳細描述了器件的制備過程。首先，采用MOVPE方法生長了Si-doped β-Ga2O3通道材料。接著，通過ICP和ALD/PECVD等工藝流程完成了器件的制備。源/漏區域則通過Si摻雜，并在900°C的N2環境中進行20min的退火以激活摻雜原子（RTP，900℃@20min，N2）。之后，刻蝕出源/漏區域，并用電子束蒸發Ti/Al/Ni/Au，隨后在N2環境中進行470℃的快速熱處理1分鐘，獲得歐姆接觸（RTP，470℃@1min，N2）。最后，通過Ni/Au連接完成了器件的制備。
圖2 室溫下MESFET的轉移特性和輸出特性
圖2展示了室溫下器件的轉移特性IG vs VGS和輸出特性ID vs VDS的測量結果。根據圖2(a)中的轉移特性，我們計算出任何VDS上的最大到最小漏極電流比（IMAX/IMIN）大于104，低場場效應遷移率（μleff）為23 cm2/V·s，閾值電壓（VT）從最大跨導（gm）點線性外推得到，約為2.5 V。此外，從轉移曲線中提取出源極誘導勢壘降低（DIBL）為143 mV/V。圖2(b)中的輸出特性顯示，在VDS接近0時，ID–VDS曲線的斜率倒數（即Ron）為88 Ω·mm。然而，這些器件的最大電流比值受到高柵極泄漏限制，柵極泄漏電流主要流向源極，從觀察到的ID 、 IG在VGS接近-8 V時可以明顯看出。這種大的柵極泄漏也增加了這些器件中測量的亞閾值斜率（SS）。
圖3 變溫下MESFET的半導體電學特性
圖3展示了在不同溫度下使用半導體設備分析儀測量設備的結果。隨著溫度從40到500攝氏度增加，設備在達到穩定狀態后，在一定的溫度下進行測試。在真空中測量了不同溫度下的轉移特性圖。隨著溫度的升高，IMAX從1.3mA/mm減少到1.1mA/mm，這是由于載流子遷移率降低和柵極泄漏增加。溫度對VT的影響表明，在高溫度下電子從一些深能級陷阱中逃逸出來。此外，我們還測量了不同溫度下的gm vs VGS特性，顯示了一個平臺和一個隨VGS增加而增加的gm，表明設備中存在雙通道。由于器件中存在大量深能級缺陷，大部分電流通過深通道傳導。隨著溫度升高，深通道厚度增加，gm vs VGS特性中的平臺寬度增加。最后，我們繪制了不同溫度下測量的gm平均值的虛線部分，表明在高溫度下載流子遷移率降低了約50%。
圖4 變溫下MESFET的輸出特性
圖4展示了輸出特性隨溫度變化的情況。隨著溫度的升高，漏極電流ID增加，亞閾值斜率增大。這些變化可能是由于深阱陷阱中的電子解離導致的。此外，圖4還顯示了在500℃下，經過1小時的測試后，ID略有增加，這表明在500℃下，該器件可以恢復其室溫電學性能。
β-Ga2O3 MESFET具有的優異的半導體及器件性能也源于RTP快速退火爐的良好表現，RTP系列產品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢，形成鮮明的行業競爭力，為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、高穩定性的、高均勻性的高溫場和氣氛保護或反應氣體，具體表現在：
√ 高溫場能夠促進原子運動，進行晶格修復，并激活雜原子；
√ 快速升溫的高溫場能夠促進金屬層/Ga2O3的熱擴散，獲得更低的接觸電阻，形成歐姆接觸；
√ 保護氣氛有助于避免金屬電極的高溫氧化，降低表面電阻率，避免出現雜相或者副反應。
此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術，可實現對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統，可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。
嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、離子注入后退火、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產起到重要作用。
參考文獻：
[1] Bae H, Park T J, Noh J, et al. First demonstration of robust tri-gate β-Ga2O3 nano-membrane field-effect transistors[J]. Nanotechnology, 2021, 33(12): 125201.
[2] Green A J, Speck J, Xing G, et al. β-Gallium oxide power electronics[J]. Apl Materials, 2022, 10(2).
[3] Islam A E, Sepelak N P, Liddy K J, et al. 500° C operation of β-Ga2O3 field-effect transistors[J]. Applied Physics Letters, 2022, 121(24).
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