具有氧化物閘極介電層之氮化鎵/氮化鋁鎵： 金屬-氧化物-半導體閘極結構之高電子遷移率電晶體

報告題名：

具有氧化物閘極介電層之氮化鎵/氮化鋁鎵：

金屬-氧化物-半導體閘極結構之高電子遷移率電晶體

Research on Oxide-Dielectric GaN / AlGaN MOS-HFET

作者：李昆諺、詹信衡、邱文傑、王鈞毅、卓裕翔 系級：電子工程學系 學號：D0281261、D0281214、D0241581、D0241605、D0281333 開課老師：李景松 課程名稱：化合物半導體元件 開課系所：電子工程學系 開課學年： 105 學年度 第一學期

摘要

本次專題藉由超音波霧化熱裂解沉積研製具有氧化鎂閘極介電 層之氮化鎵/氮化鋁鎵/氮化鎵金屬-氧化物-半導體閘極結構之高電子 遷移率電晶體。由於利用超音波霧化熱裂解沉積高介電常數氧化鎂當 閘極介電層，因而增強閘極絕緣能力與表面鈍化效果，進而有效地降 低閘極漏電流。 經由製程最佳化條件下之傳統蕭特基閘極與氧化鎂閘極介電層 之氮化鎵/氮化鋁鎵/氮化鎵金屬-氧化物-半導體閘極結構之高電子遷 移率電晶體，元件之直流特性分別為: 最大飽和電流密度 IDS, max (500

mA/mm、681 mA/mm)，零閘極偏壓飽和電流 IDSS0 (289 mA/m、329

mA/mm)，最大外質轉導 gm, max (120 mS/mm、112 mS/mm)，閘極漏 電流 Ig (6.85 × 10 -3 mA/mm、3.73 × 10-5 mA/mm)，閘極-汲極兩端崩 潰電壓 BVGD (-104 V、-123 V)。 因此，實驗結果顯示，藉由超音波霧化熱裂解沉積高介電常數氧 化鎂閘極介電層結構之氮化鎵/氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶 體，成功改善元件整體之直流特性。 關鍵字：超音波物化熱烈解、氧化鎂、氮化鎵/氮化鋁鎵/氮化鎵

Abstract

The thesis investigates MgO-dielectric GaN/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor high electron mobility transistors (MOS-HEMTs) by using the ultrasonic spray pyrolysis deposition (USPD) technique. Due to the enhanced gate insulation and surface passivation, the gate leakage current has been effectively reduced by depositing the high-k magnesium dioxide (MgO) as the gate dielectric layer.

Improved device performances of the studied MgO-dielectric MOS-HEMT (a referenced Schottky-gate HEMT) have been achieved, including maximum drain-source saturation current density (IDS, max) of

681 (500) mA/mm, drain-source current density at VGS = 0 V (IDSS0) of

329 (289) mA/mm, maximum extrinsic transconductance (gm, max) of 112

(120) mS/mm, reduced gate leakage current (Ig) at VGS = -50 V of 3.73 ×

10-5 (6.85 × 10-3) mA/mm, and two-terminal off-state gate-drain breakdown voltage (BVGD) of -123 (-104) V, respectively, at 300 K.

Consequently, superior performance of the present MOS-HEMT has been successfully achieved in this thesis. High-k MgO MOS-gate structure has been obtained by using the cost-effective USPD technique. The present MOS-HEMT device can be promisingly applied to high-frequency RFIC technologies.

Keywords: Ultrasonic spray pyrolysis deposition, magnesium dioxide, GaN/AlGaN/GaN

目 次 目次………3 Chapter 1 序論 ……….6 Chapter 2 GaN/AlGaN/GaN 異質結構 ………....9 Chapter 3 元件成長和實驗步驟……….…...11 3-1 元件結構………...11 3-2 製造流程………...11 3-2-1 高台絕緣………12 3-2-2 歐姆接觸..………..13 3-2-3 蕭特基閘極接觸………....14 3-2-4 閘極氧化沉積(MgO)………..15 3-3 超聲波霧化熱裂解沉積 (USPD)………....16 Chapter 4 實驗結果與討論……….17 4-1 材料分析……….17 4-1-1 X 射線光電子能譜儀(XPS)………...17

4-1-2 穿透式電子顯微鏡 (TEM)………..18 4-1-3 原子力顯微鏡(AFM)……….18 4-1-4 霍爾量測………19 4-2 室溫下的直流特性……….19 4-2-1 USPD 優化厚度處理………..20 4-2-2 電壓-電流特性………..20 4-2-3 傳輸特性………21 4-2-4 兩端崩潰電壓及順向導通特性……….21 4-2-5 三端關閉狀態崩潰電壓特性……….22 4-3 變溫直流特性……….23 4-3-1 溫度相關輸出特性……….23 4-3-2 溫度相關轉換特性……….23 4-3-3 溫度相關崩潰電壓和漏電流……….25 4-4 電容電壓特性……….26 4-4-1 遲滯現象……….26

4-4-2 表面狀態密度(Dit)……….27 4-5 微波特性……….27 4-5-1 fT和 fmax的特性………...27 4-5-2 功率特性……….29 4-5-3 高頻雜訊特性 ………30 4-5-4 低頻雜訊特性……….32 4-5-5 脈衝模式特性……….33 Chapter 5 結論 ………...34 參考資料………..35 圖………..42

第一章

序論

近十年來，已經證實 AlGaN/GaN 高電子遷移率電晶體（HEMT 器件）具有高功率、高頻率、高溫應用，由於 AlGaN/GaN 材料卓越 的性能與其具有寬能隙、高崩潰電場、高電子飽和速度、高導熱性、 高二維電子雲濃度等優點。因此氮化鎵高電子移動率電晶體可應用於 電源開關、高電流操作和高頻率的應用。 表 1-1: HEMTs 的材料特性之比較

properties GaN GaAs Si SiC

Energy gap (eV) 3.4 1.42 1.12 3.2

Critical Breakdown Field (MV/cm) 5 0.6 0.3 3.5

Mobility (cm2/V-s) 1500 6000 1300 600 Saturation Velocity (107 cm/s) 3 2.1 1 2 即使在 AlGaN / GaN 的高電子遷移率電晶體器件具有上述優點，但還 存在一些問題，比如漏電流崩塌[4]和閘極洩漏電流[5]在高閘極偏 壓，以及較高的表面狀態密度[6]，這可能嚴重地影響設備的微波特 性。因此，為了改善這些問題，我們進行了製造 AlGaN / GaN 的金屬 -氧化物-半導體閘極結構之高電子遷移率電晶體的研究。 由於減小閘極氧化物厚度的結果，在相同的偏壓下，閘極漏電流和電 場將會增加，以降低崩潰電壓。因此，需使用高介電常數（高 k）材

料，以防止穿隧電流。此外，這是最能表現出抑制漏電流，從而維持 電特性之一。目前，許多種的介電材料已被廣泛使用研究，包括的 HfO 2[7]，Al2O3[8]，TiO2[9]，La2O3[10]，SiO2[11]，和 MgO[12]，作

為閘極電介質。材料的性能，包括介電常數和能帶間隙在表 1-2 中示 出。

表 1-2:不同的介電材料比較

Materials HfO2 Al2O3 TiO2 La2O3 SiO2 MgO

Dielectric constant 20~30 9 80 25~30 3.9 6.8~9.6 Energy band gap (eV) 5.8 9 3.5 6 9 8 有幾種不同的方法來沉積氧化物薄膜，包括金屬有機化學氣相沉積 （MOCVD）[13]，電漿增強化學氣相沉積（PECVD）[14]，原子層 沉積[15]和濺射[16]。但是，上述的所有方法都需要在一個真空的系 統進行多步驟的過程。 在這工作中，我們使用超音波霧化熱分解沉積（USPD）[17]，以氧化 鎂（MgO）的高 k 沉積閘極。MgO 具有高的介電常數，約 6.8〜9.6， 和較寬的能隙，約 8eV[18]，[19]，[20]。而我們所使用的 USPD，可在 操作在非真空的環境，因此成本相對較低，且薄膜成長均勻與可大面 積的成長，且過程安全。表 1-3 示出的優點和缺點與不同的薄膜沉積

方法。

表 1-3:不同氧化沉積方法比較

Advantages Disadvantages

MOCVD

1. Excellent step coverage 2. Deposition oxide layer just

after epitaxy

1. High cost 2. High vacuum

PECVD High deposition rate Plasma may damage the thin

film.

ALD

1. Excellent step coverage 2. The thickness can be

controlled

1. High cost 2. Low deposition 3. High vacuum

Sputter 1. Good step coverage

2. Good uniformity

1. Expensive targets

2. Deposition material is dependent on the target. USPD

1. Non-vacuum

2. High deposition rate 3. Wide material choice

1. Required chemical precursor

第二章

GaN/AlGaN/GaN 異質結構

因為在 III 族氮化物的異質結構有較大的壓電和自發極化，當異質結 構沿著極性方向生長，三角形量子阱在 AlGaN / GaN 的界面上。通過 上述現象，可以在的 AlGaN / GaN 的界面上，形成二維電子雲 （2DEG），即使沒有在該系統[21]中任意摻雜。偏振效應誘導二維電 子雲（2DEG）[22]，如圖 2-1 所示。AlGaN / GaN 高電子遷移率電晶 體已成為高電壓、高功率運行微波頻率上具吸引力的選擇。為了抑制 閘極漏電流，能導致更好的電晶體特性，所以廣泛利用了增加閘極蕭 特基能障高度或能障高度。然而，通過增加 Al 濃度構成在源極和漏 極接觸[23]的限制，增強閘極蕭特基能障。因為，它是增加的閘極蕭 特基能障高度常見的方法。此外，GaN 覆蓋層也可以提高直流可靠性 和減少漏電流崩潰，相對於它們沒有 GaN 覆蓋[24]。 常見的磊晶系統有金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）[25]和分子束 磊晶（MBE）[26]可以生長在不同的基板，例如高質量的 GaN 薄膜： 矽[27]，藍寶石[28 ]，和碳化矽（SiC）[29]。GaN 生長在基板上具有 一些問題，在磊晶層和基板之間，有較大的晶格不匹配和熱相容性。 對於一些二元半導體材料的能帶間隙和晶格常數如圖 2-2 所示。問題 是可能會導致薄膜中高密度和較大的張力讓結構變形。不過，氮化合

物本身有層良好的基板作為 GaN 薄膜磊晶。 GaN 基板可以解決，不 僅晶格常數匹配，而且有散熱性[30]。然而，氮化鎵不能用於較大的 晶圓。使用藍寶石基板的好處，包括低成本，品質高和面積大。但是， 具有較差的熱導率（0.5W /厘米·K），而產生自行發熱現象，降低了 裝置高功率的特性[31]。SiC 具有較低的晶格失配與熱傳導率高（4.9 瓦/厘米·K），因此具有更好的散熱性、擊穿強和晶格質量。對於高 功率應用，碳化矽是一個有吸引力的材料。然而，由於較高的成本和 更小的面積，SiC 帶來增加器件製造的複雜性和成本[32]。因此，在 此工作中，我們選擇其中被提供有良好的熱傳導率（1.5W /厘米·K）， 較大面積和成本較低的矽基底。 表 2-1 顯示 Si、Sapphire、GaN、SiC、AlN 磊晶 GaN 薄膜不同型態的 基板的主要特性。 表 2-1: GaN 基底之比較

Property Si Sapphire GaN SiC

Thermal conductivity (W/cm-K) 1.5 0.5 5.6 4.9 Thermal expansion coefficient (10-6/K) 2.6 7.5 5.6 4.2 Lattice mismatch (%) -17 -15 - 3.5 Size (inches) 12 6 2 4

第三章

元件成長和實驗步驟

3-1 元件結構

本實驗中，AlGaN/AlN/GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）使用金屬 -有機化學氣相沉積（MOCVD）生長在 4-inch 的 Si 基板上。磊晶層 包括一個 0.5μm 的 AlN、AlGaN，一個為 4μm 的 GaN 緩衝層，100μm 的 GaN 通道層，一個 20μm 的 Al0.24Ga0.76N 阻擋層和一個 3μm 的 GaN 覆蓋層。霍爾量測顯示了該元件在室溫下的電子移動率為 902 cm2 /V-s 和片電流濃度 2.35×1013 cm-2 。圖 3-1、圖 3-2 包括蕭特基閘極和金屬 -氧化層-半導體(MOS)元件之 AlGaN/GaN HEMT 的結構截面圖。

3-2 製造流程 為了形成此樣品，我們使用標準的微影製程與剝離技術。而為了 保持晶圓的純淨，必須在每個製造步驟之間，在超音波震盪器中用丙 酮小心謹慎地清洗，再使用去離子水沖洗乾淨，並且使用高純度氮氣 吹乾，以保持晶圓的清潔。圖 3-3 顯示 AlGaN/GaN HEMTs 元件製程 的主要三個步驟： (1) 高台絕緣 (2) 汲/源極歐姆接觸

(3) 閘極蕭特基接觸

四個主要製造 MOS AlGaN/GaN HEMTs 的過程顯示於圖 3-4：

(1) 高台絕緣 (2) 汲/源極歐姆接觸 (3) 閘極蕭特基接觸 (4) 閘極氧化沉積 3-2-1 高台絕緣 高台絕緣的主要目的在於減少漏電流的產生，因此可以獲得較好 的夾止特性。首先，把樣本浸入鹽酸中，經過 5 分鐘的超聲波震動後， 由去離子水清洗，接著把樣本浸入丙酮於超音波震盪器清洗 5 分鐘， 然後再使用去離子水清洗剩餘的丙酮。丙酮可洗淨樣本表面的油汙。 這裡我們使用純鹽酸（HCl），以消除表面的氧化和表面損傷。在清洗 完乾燥之後，塗上一層正光阻(FH6400L)，旋轉速度和時間控制在每 分鐘 8000 轉，維持 12 秒；接著再進行每分鐘旋轉速度為 8500 轉， 持續 25 秒。樣本在溫度為 90℃軟烤箱內進行軟烤 30 分鐘，接著使 用光罩校準器(OAI MODEL 3HR/IR)對樣本進行 25 秒鐘的曝光，來定 義高台絕緣光阻圖案且把樣本侵入光阻顯影劑 35 秒。我們使用熱蒸 鍍沉積厚度大約 100 nm 的 Ni 當作高台蝕刻光罩。最後使用丙酮去除

光阻及使用感應耦合式電漿反應離子蝕刻(ICP-RIE)產生 Ar/Cl2 等離 子蝕刻反應來定義高台範圍。我們使用的蝕刻參數設定為 30 sccm 的 Cl2、10 sccm 的 Ar、ICP 的功率為 700 W、RIE 的功率為 120 W 和環 境壓力 3 mTorr 100 秒。蝕刻速率大約 10nm/min。蝕刻後，我們使用 硝酸來去除 Ni2的硬光罩。以下為高台絕緣的主要步驟: 1. 清理樣本 2. 旋轉塗佈 3. 軟烤(曝光前烘烤) 4. 曝光 5. 顯影 6. 蒸鍍 7. 掀起製成 8. 乾式蝕刻 9. 去除 Ni 3-2-2 汲源極歐姆接觸 在超音波震盪器中使用丙酮清洗晶圓及用去離子水清洗去除剩餘的 丙酮，接著用鹽酸去除表面的氧化層及使用去離子水清洗剩餘的溶 劑。我們晶圓上塗佈正光阻(FH6400L)，旋轉和時間分別控制在 8000rpm，維持 12 秒、8500rpm，維持 25 秒，最後在 90℃下進行的

烘烤 30 分鐘。之後使用標準微影技術形成汲極和源極電極圖案。在 蒸鍍前，金屬和蒸鍍用鎢舟必須用超音波震動器中分別加入丙酮和鹽 酸清洗 20 分鐘和 5 分鐘後，用去離子水洗滌並用高純度氮氣吹乾。 我們使用 Ti/Al/Au 合金當作歐姆接觸的金屬【33】【34】【35】，且沉 積厚度 Ti(10nm)/ Al(100nm)/Au(100nm)，Ti/Al 層具有低的功函數， 在 Au 層可以防止形成在表面上的 Al2O3鋁的向外擴散，減少接觸電 阻。使用快速熱退火系統(RTA)(ULVAC MILA-5000)，退火後，Ti/Al/Au 合金可以延伸至金屬和半導體的表面之間。退火溫度和時間分別為 900℃和 90 秒。在我們的汲源極圖案中，此元件的汲源極距離 5μm。 以下為汲極和源極歐姆接觸的製程步驟: 1. 清理樣本 2. 旋轉塗佈 3. 軟烤(曝光前烘烤) 4. 曝光 5. 顯影 6. 蒸鍍 7. 掀起製成 8. 退火 3-2-3 閘極蕭特基接觸

形成理想的歐姆接觸後，我們使用 Ni(100nm)/Au(10nm)作為閘極蕭特 基接觸。Ni 可以增加蕭特基能障高度，因為它具有較高的功函數可 以 抑 制 漏 電 流 而 獲 得 高 崩 潰 電 壓 。 實 驗 中 我 們 使 用 正 光 阻 (FH6400L)，旋轉速率和時間控制在 9000rpm，維持 12 秒、9500rpm， 維持 35 秒。接著使用閘極光罩對樣品曝光 20 秒定義閘極圖案和浸泡 在光阻顯影劑中 30 秒，最後我們使用熱蒸鍍沉積 Ni/Au，其厚度為 Ni(100nm)/Au(50nm)，用丙酮去除光阻，傳統的 AlGaN/GaN HEMT 完成。在我們的閘極圖案中，此元件閘極長度為 1μm、寬度為 100μm。 閘極蕭特基接觸的主要步驟如下: 1. 清理樣本 2. 旋轉塗佈 3. 軟烤(曝光前烘烤) 4. 曝光 5. 顯影 6. 蒸鍍 7. 掀起製成 3-2-4 閘極氧化沉積（MgO） 氧化層的 MgO 沉積之前，其表面用丙酮清洗，然後施加去離子水除 去丙酮。下述沉積於源極和汲極，利用 RTA 退火，光顯影蝕刻打開

閘極的窗口，樣品再透過超聲波霧化熱分解沉積技術(USPD)沉積 30nm 厚的 MgO 作為氧化過程。然後，利用標準光刻技術於漏極和源 極遮罩以限定濕式蝕刻的區域。再使用磷酸刻蝕劑[36]（H3PO4：H2O= 1：5）除去在汲極和源極中的 MgO。

3-3 超聲波霧化熱分解沉積技術（USPD）

超聲波噴霧熱解沉積對於建構氧化層是優異的技術之一。這種超聲霧 化器是根據源溶液由載氣送到加熱的基板表面的技術。超聲波霧化熱 分解沉積技術（USPD）相對於其他氧化層沉積方法，像是電漿增強 化學氣相沉積（PECVD），濺射和原子層沉積，具有一些優勢，例如： 大面積沉積，降低設備製造成本，膜均勻性良好，和不需真空的條件 下進行。圖 3-5 為超聲波噴霧熱分解沉積的示意圖。

第四章

實驗結果與討論

4-1 材料分析

在這項工作中，它通過使用超聲噴霧熱解沉積技術形成 MgO 氧化 層。為了知道化學元素組成，表面粗糙度，和 MOS 氧化層的厚度， 我們採用 (1) X 光光電子能譜儀(XPS)，(2)穿透式電子顯微鏡 （TEM），(3)原子力顯微鏡（AFM），(4)霍爾量測。 4-1-1 X 光光電子能譜儀 (XPS) 為了分析樣品表面的結構的化學元素和鍵結結構，X 射線光電子光譜 儀是一種常見的工具，圖 4-1 顯示了 XPS 測量的基本原理。X 光的輻 射使光子由材料的表面被激發而跳脫，而 XPS 是表面敏感的技術， 可以通過組合與從當前表面 XPS 測量交織離子槍蝕刻週期序列來獲 得在 XPS 量而言樣品的深度剖面。在 XPS 光譜採集之前離子槍用於 蝕刻材料一段時間。每個離子槍蝕刻循環暴露出一個新的表面和 XPS 光譜提供分析這些表面[37]的組合物的裝置。圖 4-2 和圖 4-3 顯示， MgO 的結合能信號分別為 49.8 eV 的鎂 2P 和 530.2 eV 的為氧 1s。圖 4-4 顯示了鎂，氧，鎵，氮的原子濃度。鎂 2P 和氧 1s 的原子濃度為 53.1％和 46.3％。我們還使用半定量分析，以確認濃度的比率。結果

顯示於表 4-1。

表 4-1: 濃度比率

Material MgO

O/Mg 0.87

4-1-2 穿透式電子顯微鏡 (TEM)

第一個 TEM 是由 Max Knoll 和 Ernst Ruska 在 1931 年所造。穿透式 電子顯微鏡（TEM）是電子束通過一個超薄樣品，通過時與試樣交互 作用的一種顯微技術。由於電子的德布羅意波長小，TEM 比起光學 顯微鏡能夠有更顯著的成像、更高的分辨率。TEM 在癌症研究，病 毒學，材料科學以及污染，納米技術和半導體研究應用。因此，為了 研究的 GaN/ AlGaN/ GaN 層上的 MgO 膜的結構，觀察到的樣品橫截 面穿透式電子顯微鏡（TEM）圖像被作為圖 4-5。結果示於表 4-2 總 結。 表 4-2: 氧化層厚度 Material MgO Oxide thickness (nm) 30 4-1-3 原子力顯微鏡（AFM） 原子力顯微鏡（AFM）是一個非常高的分辨率型掃描探針顯微鏡 （SPM），與如圖 4-6 所示一個奈米級的順序展示了分辨率。使用

AFM，有可能以高的分辨率來測量樣品表面的粗糙度，區分樣品是根 據它的機械性能，包括硬度和粗糙度[38]。最佳平面度表面為 30nm 的氧化鎂氧化層。如在圖 4-7 和圖 4-8 所示，表面粗糙度為 1.73nm。 4-1-4 霍爾量測 採用霍爾測量可以測量半導體的許多重要特性，如流動性，片材濃 度，電阻率和霍爾係數[39]。在室溫下遷移率（μn）和片濃度（ns），

比較非治療和 30nm 的氧化鎂氧化層的氮化鎵/ AlGaN/ GaN 的 HEMT 器件。結果示於表 4-3。 表 4-3: 霍爾測量研究 Sample Mobility (cm2/V-s) Sheet Concentration (cm-2) µn ns (V-1-s-1) Non-treatment 902 2.35 2.12 30 nm MgO 872 2.77 2.42

4-2 室溫下的直流特性

所製造的設備具有柵極長度 Lg = 1μm，閘極寬度 Wg 的= 100μm。晶 圓上的特點是由在室溫下使用半導體參數分析器（Keithley 4200）進 行測定。 4-2-1USPD 優化厚度處理

利用 DC 直流特性來優化設備特性。如圖 4-9 和表 4-4 所示，由 USPD 量測在 MgO MOS-HEMT 的特性，分別包括 20，30，和 40nm。 表 4-4: 厚度處理優化特性 MgO gm,max (mS/mm) IDSS0 (mA/mm) ID,max (mA/mm) 20 nm 107 317 648 30 nm 112 329 681 40 nm 104 302 604 從上述表 4-4，透過 USPD 沉積 30nm 的 MgO 有最好的元件特性。基 於 HEMT 和 MOS-HEMT 的 DC，CV 和射頻性能的結果，我們使用 30nm MgO 作為氧化物層。 4-2-2 電流-電壓特性 如圖 4-10 和圖 4-11，在室溫下典型的汲極源極電流（IDS）相對於常

規的 HEMT 和 MgO 的 MOS-HEMT 的汲極源極偏壓（VDS）特性。 閘

極偏壓為 4 V 至-6V，以-1 V 為單位，和兩個設備汲源偏壓分別為 0 至 20V。傳統的 HEMT 最大漏電流密度(IDS,max)為 500mA/mm 在 VG=2V

和 MOS-HEMT 為 VG= 4V，681 毫安/毫米。結果表明，MOS-HEMT

氧化物沉積層的電流密度憑藉超聲波霧化熱分解沉積技術，這可以減 少表面狀態密度和漏汲極-源極電阻引起片電流濃度的增加而增加 36.2％。

4-2-3 傳輸特性

在常溫下 HEMT and MgO MOS-HEMT 的外質轉導(gm)作為汲源偏壓

的函數是 7V，如圖 4-12 和圖 4-13。比較 HEMT 和 MOS-HEMT，最 大外質轉導(gm,max)分別為 120 毫秒/毫米和 112 毫秒/毫米。由於 high k 絕緣體的插入，有效增加通道門的距離，MOS-HEMT 的最大轉導比 起 HEMT 下降 6.67%。閘極電壓擺幅（GVS）定義為可用的閘極偏壓 範圍，其中對應值的 90％以上為最大。HEMT 和 MOS-HEMT 的 GVS 值定義為 1.6 V 和 2.2V。MOS-HEMT 具有更好的 GVS 由於抑制閘極 漏電流。HEMT 和 MOS HEMT 的 IDSSO:289 mA/mm 和 329 mA/mm 由

於使用 USPD 沉積 MOS HEMT 上升了 13.8%。臨界電壓的定義是閘 及偏壓的 。如圖 4-14 HEMT 和 MOS HEMT 的 Vth值分別為-2.2V

和-4.4V。另一方面，在開/關電流比(Ion/Ioff)確定為 6.22×10 2_{和 1.22×10}6_。 4-2-4 兩端崩潰電壓及順向導通特性 HEMT 和 MOS-HEMT 在室溫下顯示在圖 4-15 和圖 4-16，包括雙端 截止閘極-汲極崩潰電壓(BVGD)，導通電壓(Von)和所有設備的漏電流密 度的特徵。BVGD和 Von被定義為在所述閘極電流 IGD達到 1 mA/mm 的

電壓。漏電流限定是在閘極汲極電壓為-50V。HEMT 和 MOS HEMT 的 BVGD and Von的值分別為 104 V /123 V 和 0.8 V /1.7 V。HEMT 和

MOS-HEMT 的漏電流密度分別為 6.85×10-3和 3.73×10-5

mA/mm 在 VG

= -50V 時。比較 HEMT 和 MOS-HEMT 結果說明使用 USPD 可以獲 得較高的 BVGD and Von。由於使用 USPD 插入 MgO 的氧化層可以壓

抑閘極和汲極間的漏電流和電場。 此外，漏電流較低也可以歸因於 在閘極氧化層的陷阱減少。

4-2-5 三端關閉狀態崩潰電壓特性

依據圖 4-17 展示了正常的 HEMT 與 MOS-HEMT 的三端 off 狀態時的 崩潰電壓(BVoff)。該崩潰電壓(BVoff)被定義在 off 狀態時汲極漏電流，

當閘極電壓處於 pinch-off(-10V)時此漏電流會上升至 1mA/mm。 在所有的元件中包括正常的 HEMT 與 MOS-HEMT，他們的崩潰電壓 可以被確切地定義於 97 V 和 119 V。結論上，透過 USPD 的閘極絕 緣技術可以有效地抑制漏電流與減少通道層中的電離碰撞，如此便可 提高 MOS-HEMT 崩潰電壓的特性。 如表 4-5 所示，此表為現有之 HEMT 與 MOS-HEMT 在室溫下的 DC 特性比較: 表 4-5: 設備的 DC 特性

sample Conventional HEMT MOS-HEMT

gm,max (mS/mm) 120 112

IDSS0 (mA/mm) 289 329 GVS (V) 1.6 2.2 Vth (V) -2.2 -4.4 Ion/Ioff 6.22 × 10 2 1.22 × 106 BVGD (V) 104 123 Ig (mA/mm) 6.85×10 -3 3.73×10-5 Von (V) 0.8 1.7 BVoff (V) 96.5 119

4-3 變溫直流特性

4-3-1 溫度相關輸出特性 將我們的元件(傳統的 HEMT 與 MOS-HEMT)以溫度 300K~450K 以每 50K 為間距，測量溫度的相關性之汲-源電流密度(IDS)與汲-源(S)電壓 (VDS)特性。汲-源電壓的變化為 0 V~20 V 與傳統 HEMT 閘極的電壓 變化為 2V~4V(每 50 K 上升 1 V)，MOS-HEMT 閘極的電壓變化為 4V~6V(每 50 K 上升 1 V)。 此結果顯示出當溫度上升時，汲極電流密度特性的減少是因電子遷移 率降低從該顯著載體產生載子散射與晶格散射機制和在高溫下使濃 度稍微增加所導致的情況。 4-3-2 溫度相關傳輸特性 圖 4-20 和圖 4-21 顯示了常規 HEMT 和 MOS-HEMT 從 300K 至 450 K

的外質轉導特性。汲-源電壓在偏壓 7V 下，傳統的 HEMT 和 MOS HEMT 閘極電壓從偏壓 2V 到-6 V。我們觀察到外質轉導是隨著溫度 的升高而減少，由於溫度提高影響漏電流密度下降。

由表 4-6 與表 4-7 分別顯示了正常 HEMT 與 MOS-HEMT 的 IDSS0、IDmax

和 gm,max從 300K~400K 的變化。 表 4-6: 從 300K 至 450 K 的傳統 HEMT 溫度相關 DC 特性 Conventional HEMT ID,max (mA/mm) IDSS0 (mA/mm) gm,max (mS/mm) 300 K 500 289 120 350 K 406 235 96 400 K 347 200 82 450 K 293 170 69 表 4-7: 從 300K 至 450 K 的 MOS-HEMT 溫度相關 DC 特性 MOS- HEMT ID,max (mA/mm) IDSS0 (mA/mm) gm,max (mS/mm) 300 K 681 329 112 350 K 613 295 94.7 400 K 576 277 83.5 450 K 547 263 74.7 4-3-3 溫度相關雙端崩潰電壓特性 對於常規 HEMT 和 MOS-HEMT 從 300K 到 450k 圖 4-22 和圖 4-23 示 出了閘-汲崩潰電壓（BVGD），漏電流密度（Ig），和導通電壓（Von）

的特性。閘-汲崩潰電壓（BVGD）和導通電壓（Von）被定義 VGD作為 IGD的 1mA /mm 的大小，並且在-50V 閘-汲電壓為限定洩漏電流的值。 表 4-8 和表 4-9 示出了分別從 300K 到 450k 傳統 HEMT 電壓特性和 MOS-HEMT 的汲閘崩潰電壓，漏電流密度及導通電壓。 結果表明，該 MOS-HEMT 可以提供更高質量的氧化物層和更好的熱 穩定性。 表 4-8: 300K~450K 傳統 HEMT 的溫度依賴性 BVGD，Ig和 Von特徵 Conventional HEMT BVGD (V) Ig (mA/mm) 300 K 104 6.85 10-3 350 K 84.9 1.22 10-2 400 K 72.5 3.95 10-2 450 K 62.3 8.31 10-2 表 4-9: 300K~450K MOS-HEMT 的溫度依賴性 BVGD，Ig和 Von特徵 MOS- HEMT BVGD (V) Ig (mA/mm) 300 K 123.3 3.73 10-5 350 K 111.4 6.44 10-5 400 K 106.1 1.71 10-4 450 K 98.6 3.04 10-4

4-4 電容-電壓特性

電容-壓特性的測量被用來顯示材料的結構。金屬-半導體（M-S）的 蕭特基二極體和氧化鎂（MgO）的金屬氧化物半導體（M-O-S）二極 體顯示於圖 4-24。C-V 測量要在閘極電壓操作為-6 V 到 0 V 頻率為 1MHz。為了計算的 MOS 二極體的介電常數（k），電容公式可以用 來以下： (1) (2) ε0 是真空電容率=8.854×10-12 F / m，A 是肖特基接觸面積= 8000μ m2，dox是氧化層厚度= 20nm，Ctotal是 MOS 的二極體電容為 14.1 pF， CHEMT是 M-S 肖特基二極管電容=43.7 pF 時，COX是氧化層電容。根 據上述參數， MgO 的 COX是 20.8pF 和介電常數為 8.8。 4-4-1 遲滯現象 圖 4-25 和圖 4-26 顯示出，金屬-半導體（M-S）的蕭特基二極體和氧 化鎂（MgO）的金屬氧化物半導體（M-O-S）二極體的遲滯現象。為 了研究遲滯現象，測量從 0V 到-6 V 的閘極偏壓頻率為 1MHZ。金屬 - 半導體（M-S）蕭特基二極體的遲滯為 0.2 V，MgO 金屬氧化物半 導體（M-O-S）二極體約為 0.4V。結果表明，由 USPD 沉積的 MgO

氧化物層可有效降低陷阱密度，並形成高品質氧化物層。 4-4-2 表面狀態密度（Dit） 電容-電壓（C-V）與（MgO）的金屬氧化物半導體二極體的高低頻特 性示於圖 4-27。為了計算表面狀態密度（Dit），公式是利用： (3) q 是基本電荷，Cox是氧化層電容，CLF是在 10KHz 的低頻電容，CHF 是在 1 MHz 的高頻電容量。MOS 二極體的平均表面狀態密度被確定 為 3.86×1011 cm-2eV-1。結果顯示由 USPS 技術在 MgO 氧化物層可有 效的降低氧化物層和 GaN 之間的表面陷阱密度。

4-5 微波特性

4-5-1 fT和 fmax的特性 使用 HP-8510B 向量網絡連接串接探針且操作在 0.2 GHz 到 50 GHz，設備的微波特性包含 HEMT 和 MOSHEMT 都在晶圓上量測。 元件的閘極尺寸為 1×100μm2_{，源極到汲極的距離為 5μm。利用商} 用模擬器 HP Eesof Touchstone 分析 S 參數。S 參數矩陣可被轉換為 H 參數矩陣。電晶體的 S 參數量測使的元件的短路增益(H21)和最大可用 功率增益(MAG)能夠被表示為:

(4) 和 (5) 在此 (6) MAG 被定義為 k≥1，意味著該電路是穩定的在任何電源或負載阻抗 下。在高頻率，非共鳴電晶體的增益小到足以保證 k≥1。在某些頻率， 增益足夠舒緩以產生統一的 k-factor。 在此情況下，MAG 被定義為 在該頻率的最大穩定的功率增益（MSG）。因此，最大穩定的功率增 益（MSG）可以被確定為下面的公式： MSG = (7) 統一電流增益截止頻率可從短路電流增益在 0 分貝獲得內插值。最大 振盪頻率可以從最大經過 0dB 最大可用功率增益的內插值也能夠得 到。截止頻率和最大振盪頻率式可表示為： (8) 和 (9) CGS和 CGD是閘-源和閘-汲電容，我們可以了解到更高的轉導可以得 到更高的截止頻率和最大振盪頻率。圖 4-28 示出的統一電流增益截

止頻率和 HEMT 和 MOS-HEMT 的最大振盪頻率。HEMT 和 MOS HEMT 的偏壓條件為 VDS =7 V，VGS=-1.5 V，和 VDS =7 V，VGS=-2 V。

HEMT 和 MOS-HEMT 的 fT與 fmax的值分別為 7.83GHz / 8.77 GHz 和

8.91 GHz / 10.12 GHz。結果顯示於表 4-10。

表 4-10: fT與 fmax的特性

sample Conventional HEMT MOS-HEMT

fT (GHz) 7.83 8.91 fmax (GHz) 8.77 10.12 由於 MOS-HEMT 使用 USPD 能減少表面電荷和相應的電容，故具有 較高的 fT和 fmax。 4-5-2 功率特性 Pout和附加功率效率(P.A.E)的方程式可表示為: (10) (11) 在 Pout的方程式中，BVGD為閘極到汲極的崩潰電壓，Vknee為膝點電 壓。在 P.A.E 方程式中，Pout為輸出功率，Pin為 RF 輸入功率，PDC 為直流功率。功率附加效率建立該裝置的效率作為功率轉換器中，RF 能量改變 DC 能量。測量用一個簡單的功率測試的執行。電源和負載 阻抗匹配用兩個雙調整器進行了優化，和一個帶通濾波器與功率檢測

器以確保在基本頻率的正確的功率讀數。其效能接近於夾止區的 class AB 的功率放大器。 圖 4-29，圖 4-30，圖 4-31，和圖 4-32 顯示出了輸出功率和功率增加 效率作為 HEMT 和 MOS-HEMT 的輸入功率與在 VGS=-1.5V，VDS=7 V 和 VGS =-2 V，VDS=7 V 的。如表 4-11 和表 4-12 中所示，所有設備在 2.4GHz 和 5.8GHz 的操作。 表 4-11: 在 2.4 GHz 的功率量測值

2.4 GHz Conventional HEMT MOS-HEMT

P.A.E(%) 18.5 23.28

Pout (dBm) 12.69 17.57

Ga (dB) 11.05 12.91

表 4-12: 在 5.8 GHz 的功率量測值

5.8 GHz Conventional HEMT MOS-HEMT

P.A.E(%) 6.2 8.8 Pout (dBm) 10.24 11.05 Ga (dB) 5.43 10.71 USPS 沉積改進 Pout的性能可以歸因於較高 BVGD和 IDS。結果證明在 同一 Pin上有更好的 P.A.E.。 4-5-3 高頻雜訊特性 使用 HP8970B 雜訊係數分析儀量測 HEMT 和 MOS-HEMT 的干擾程 度，頻率範圍在 1 GHz 到 6 GHz，最小雜訊指數(NFmin)可被表示為

fukui equation: (dB) (12) 在此 (13) kF為 fukui 常數，IDS為汲極到源極電流的雜訊量測表現，gm為轉導， Lg為閘極長度。 圖 4-33 顯示了 HEMT 和 MOS-HEMT 相關增益（Ga）特徵和最小雜 訊指數（NFmin）。所有設備的閘極尺寸為 1.2×100μm 2_{和源極到汲極} 距離為 5μm。HEMT 和 MOS-HEMT 的偏壓條件分別為 VDS =7 V， VGS =-1.5V； VDS=7 V，VGS =-2 V。

表 4-13 顯示了 HEMT 和 MOS-HEMT 的最小雜訊指數（NFmin），相

關增益的正常值為 2.4 GHz 和 5.8GHz。結果顯示，MOS-HEMT 因為

氧化物層會減少表面陷阱，所以降低最小雜訊指數（NFmin）和更高

的相關增益。

表 4-13: 雜訊特性的平均值

Sample _{Conventional HEMT MOS-HEMT}

NF min (dB) 2.4 GHz 2.21 1.32 5.8 GHz 4.98 4.6 Ga (dB) 2.4 GHz 8.76 9.79 5.8 GHz 2.36 3.23

4-5-4 低頻雜訊特性 低頻雜訊對於微波元件的優勢是很重要的指數。所以低頻雜訊的量測 便能進一步地闡述閃爍干擾與各處理之間的關係；其測量方法對半導 體的表面非常敏感。汲極雜訊電壓經由(Agilent 35670A)放大，且輸出 被送到頻率範圍為 1Hz〜10KHz 的（BTA9812B）的頻譜分析儀。正 常的 HEMT 與 MOS-HEMTIDS 偏壓條件為 VDS=3V(線性區)且 IDS為 100mA/mm。 圖 4-34 顯示了所有設備的低頻雜訊等特點。這顯示 MOS-HEMT 比由 於通過使用 USPD 技術，以減少表面特性的傳統 HEMT 具有較低雜 訊。 通常使用虎克係數(Hooge’s coefficient) αH 表示在不同的半導體材料 和結構中的雜訊等級，其方程式為下列: (14) 和 (15) 第一式，SI為電流的頻譜密度，I 為流經元件的電流，f 為頻率， N 為元件中自由電子的總數。第二式，L 為汲極到源極的間距，R 為 通道電阻，μ為遷移率。傳統 HEMT 和 MOS-HEMT 的 Hooge’s coefficient 分別為 8.29×10-4和 2.49×10-5。

4-5-5 脈衝模式特性 圖 4-35 和圖 4-36 為傳統 HEMT 和 MOS-HEMT 的 CW 和脈衝模式。 脈衝寬度為 10μs 及 20%的工作週期。我們可以用以下公式計算電流 崩塌的差異: (15) 表 4-14 表示出了傳統 HEMT 與 MOS-HEMT 元件崩潰電流的差異。 由結果顯示，MOS-HEMT 能夠降低 D-S 之間的漏電流與表面陷阱。 表 4-14 ΔCC 的特性整理

Sample Conventional HEMT MOS-HEMT

第五章

結論

此專題中，GaN/ AlGaN/ GaN HEMT 已成功的製作和研究並通過使用 USPD 沉積高介電常數的 MgO。MOS-HEMT 的研究元件比正常的 HEMT 可以顯著改善 DC 和 RF 特性。其原因是 MOS-HEMT 通過使 用 USPD 技術以減小閘極漏電流和表面狀態密度產生具有高的氧化 物層的質量和低界面密度。

本實驗 MOS-HEMT 通過使用超聲噴霧熱解沉積技術具有改進元件的 特性。最大漏極電流密度（IDS,max），漏電流密度（IDSS0），最大外質轉

導（gm,max）和傳統 HEMT 的兩端子 off 狀態 G-D 崩潰電壓（BVGD）

和 MOS-HEMT 是 500/ /681 mA/mm，289/329 mA/mm，120/112 mA/mm，104/123 V 電流增益截止頻率（fT），最大振盪頻率（fmax）

和傳統 HEMT 的功率附加效率（P.A.E）和 MOS-HEMT 為 7.83/8.91 GHZ，8.77/10.12 GHZ，和 18.5/23.28％在 2.4GHz。本實驗的 GaN/ AlGaN/ GaN 的 MOS-HEMT 通過使用 USPD high-K 材料的 MgO 是適 於高功率 MMIC 的應用程序。

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Figures

(a)

(b)

Figure 2-1 (a) The polarizations in GaN HEMT structure. (b) How these polarizations affect the concentration of 2DEG in AlGaN/GaN

Figure 2-2 The comparisons of bandgaps energy and lattice constant of various binary semiconductors.

Gate Dimension: 1 × 100 µm2

Figure 3-1 The cross-sectional GaN/ AlGaN/GaN structure of conventional HEMT.

Gate Dimension: 1 × 100 µm2

Figure 3-2 The cross-sectional GaN/ AlGaN/GaN structure of MgO

Step 2

 Mesa Isolation

 Mesa Photolithography  Evaporate Ni and Lift-off  Dry Etching by ICP/RIE  Ni Remove by HNO₃ Step 1  Sample Orienting  Wafer Cleaning Step 3  S/D Photolithography

 Evaporate Ti/Al/Au and Lift-off  Annealing by RTA

 S/D Ohmic contact

Step 4

 Gate Photolithography

 Evaporate Ni/Au and Lift-off  Gate Schottky Contact

Si substrate C-doped GaN 4 μm GaN 100nm AlGaN 20nm GaN Cap 3nm AlN, AlGaN 0.5 μm Si substrate C-doped GaN 4 μm GaN 100nm AlGaN 20nm GaN Cap 3nm AlN, AlGaN 0.5 μm

Step 1-3 Step 6

 Gate Oxide Deposition by USPD  S/D Photolithography

 MgO Remove by H₃PO₄

Step 7

 Gate Photolithography

 Evaporate Ni/Au and Lift-off  Gate Schottky Contact

Figure 3-3 A Conventional HEMT device of fabrication process.

Figure 3-5 Schematic diagram of the ultrasonic spray pyrolysis technology. HEAT 350C Reactive gas Ultrasonic Atomizer Exhaust Sample

Hot plate heater

Chamber H2O H₂O Precursor solution Gas flux controller

Figure 4-1 Structure of XPS measurement system. 46 48 50 52 54 In te n sit y ( a rb . u n it )

Binding Energy (eV) Mg 2p

526 528 530 532 534 In te n sit y ( a rb . u n it )

Binding Energy (eV) O 1s

Figure 4-3 X-ray Photoelectron Spectrometer spectra of O.

Figure 4-5 TEM analysis of MgO film.

Figure 4-7 AFM analysis of two dimension MgO film.

Figure 4-9 Summary of USPD treatment thickness optimization transfer characteristics for MOS-HEMT.

Figure 4-10 Current-Voltage characteristics of the conventional HEMT at room temperature

Figure 4-11 Current-Voltage characteristics of the MgO MOS-HEMT at room temperature.

Figure 4-12 Extrinsic transconductance (gm) and the drain leakage

Figure 4-13 Extrinsic transconductance (gm) and the drain leakage

current (IDS) of the MOS-HEMT at room temperature.

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 0 5 10 15 20 Conventional HEMT MOS-HEMT @V DS = 7 V Gate-Source Voltage (V) S q u rt I D

Figure 4-15 Two-terminal off state gate-drain breakdown voltage

(BVGD) characteristics of all devices.

Figure 4-16 Two-terminal off state gate-drain turn-on voltage (Von)

Figure 4-17 Three-terminal off-state breakdown voltage (BVoff) characteristics of all devices.

Figure 4-18 Temperature-dependent DC characteristics of the conventional HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-19 Temperature-dependent DC characteristics of the MOS-HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-20 Extrinsic transconductance and saturation drain current density of the conventional HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-21Extrinsic transconductance and saturation drain current density of the MOS-HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-22 Temperature-dependent two-terminal breakdown characteristics of the conventional HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-23 Temperature-dependent two-terminal breakdown characteristics of the MOS-HEMT from 300 K to 450 K.

Figure 4-25 Hysteresis of metal-semiconductor (M-S) Schottky diode. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 4 8 12 16 MOS Diode @ 1M Hz Voltage (V) C a p a tic a n ce ( p F )

Figure 4-27 Capacitance-voltage characteristics of MOS diode, the

inset shows the calculated Dit-V characteristics.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 -8 0 8 16 24 32 40 P ou t ( d B m ), G a in ( d B ) Pout Gain P. A. E. P_in (dBm) V_GS = -2 V, V_DS = 7 V Conventional HEMT 0 5 10 15 20 25 P .A .E . (%) P_out Gain P. A. E.

Figure 4-29 The power-added-efficiency (P. A. E.), output power (Pout),

associated gain (Ga) characteristics at 2.4 GHz for conventional

HEMT. -20 -15 -10 -5 0 5 10 -8 0 8 16 24 32 40 Pout Gain P. A. E. P ou t ( d B m ), G a in ( d B ) P_in (dBm) V_GS = -2 V, V_DS = 7V MOS-HEMT Gain P_out P. A. E. 0 5 10 15 20 25 30 35 P .A .E . (%)

Figure 4-30 The power-added-efficiency (P. A. E.), output power (Pout),

-20 -15 -10 -5 0 5 10 -20 -10 0 10 20 30 40 Pout Gain P. A. E. P_in (dBm) P ou t ( d B m ), G a in ( d B ) V_GS = -1.5V, V_DS = 7V Convnetional HEMT Gain Pout P. A. E. 0 2 4 6 8 10 P . A . E . (%)

Figure 4-31 The power-added-efficiency (P. A. E.), output power (Pout),

associated gain (Ga) characteristics at 5.8 GHz for conventional

HEMT. -20 -15 -10 -5 0 5 10 -20 -10 0 10 20 30 40 Pout Gain P. A. E P_in (dBm) P ou t ( d B m ), G a in ( d B ) Gain P_out P. A. E. V_GS = -2V, V_DS = 7V MOS-HEMT 0 5 10 15 P . A . E ( %)

Figure 4-32 The power-added-efficiency (P. A. E.), output power (Pout),

Figuer 4-33 The minimum noise figure (NFmin) and associated gain (Ga) characteristics versus frequencies of all devices.

Figure 4-34 Low frequency noise characteristics versus frequency of all devices.

Figure 4-35 The CW and pulse characteristics of conventional HEMT.