氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之光電特性研究

氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵金屬-氧化物-半導體異質結

構場效電晶體之光電特性研究

Photoelectric characteristics of Al

2

O

3

-Dieletric

In

0.17

Al

0.83

N/AlN/GaN MOS-HFETs

作者：柯建宏、莊英敏、張晉榮、陳東昇、廖宜璉 系級：電子四甲 學號：D0589092、D0442601、D0545773、D0790680、D0789720 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： 108 學年度 第 1 學期

摘要

本專題旨在藉由超音波霧化熱裂解法研製具有氧化鋁閘極介電層之氮 化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵金屬-氧化物-半導體結構異質結構場效電晶體，使用 高 k 值閘極介電層改善閘極絕緣能力與獲致鈍化表面缺陷效果，以提升元 件工作性能以及提升元件崩潰特性。 為提供相關特性比較，本研究同時研製具有傳統蕭特基閘極平面結構、 具有氧化鋁閘極介電層結構之氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵金屬異質結構場效 電晶體，所獲致之直流特性分別為：最大汲極-源極電流密度 IDS,max（544.2

mA/mm、810.4 mA/mm），無閘極偏壓飽和電流密度 IDSS0（291.1 mA/mm、

331.3 mA/mm），最大外質轉導 gm,max（ 221.2 mS/mm、180.4 mS/mm），閘 極漏電流Ig（1.4×10-2 mA/mm、1.1×10-6 mA/mm），閘極-汲極關閉狀態崩潰 電壓BVGD（-126 V、-185.5 V），功率轉換效益 P.A.E.（16.5%、26.3% V）。 實驗結果顯示本研究所研製具有氧化鋁閘極介電層之氮化銦鋁/氮化鋁/氮 化鎵金屬-氧化物-半導體結構異質結構場效電晶體，能有效改善元件直流特 性，以及具有高 k 值閘極介電層改善閘極絕緣能力與獲致鈍化表面缺陷效 果可提升元件的崩潰特性，此外，本篇專題亦有使用紫外線檢測技術研究 光電特性。 關鍵字：超音波霧化熱裂解、氧化鋁、氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵、紫外線檢測

Abstract

Ultraviolet (UV) detection and electrical characteristics of In0.17Al0.83N/AlN/GaN metal–oxide–semiconductor heterostructure field-effect

transistors (MOS-HFETs) with Al2O3 gate-dielectric and passivation formed by

using ultrasonic spray pyrolysis deposition (USPD) are studied with respect to a conventional Schottky-gate HFET. Due to the enhanced gate control, the DC characteristic of device has been effectively improved. Depositing the high-k aluminum dioxide as a gate-dielectric layer, the gate leakage reduced by gate insulation and surface passivation.

Providing the comparison of the characteristics, In this thesis, Schottky-HFET, Al2O3-MOS-HFET, have been achieved, including maximum drain-source

saturation current density (IDS, max) of 544.2 mA/mm, 810.4 mA/mm, ,

drain-source current density at VGS = 0 V (IDSS0) of 291.1 mA/mm, 331.3 mA/mm,

maximum extrinsic transconductance (gm, max) of 212.2 mS/mm, 180.4 mS/mm,

gate leakage current (Ig) at VGS = -10 V of sample A and sample B were 1.4×10-2

mA/mm, 1.1×10-6 _{mA/mm, two-terminal off-state gate-drain breakdown voltage}

(BVGD) of -126 V, -185.5 V, and power-added efficiency (P.A.E.) of

16.5%,26.3% at 2.4 GHz, respectively, at 300 K.

From the experiment results, the superior performance of Al2O3

metal-oxide-semiconductor HFETs (MOS-HFET) can be effectively improve DC characteristics by USPD technique, not only decrease leakage current but increase breakdown voltage of device.

目錄

目錄 ... 3 圖片目錄 ... 5 表格目錄 ... 9 第一章 介紹 ... 10 第二章 InAlN/AlN/GaN 異質結構 ... 14 2-1 InAlN/AlN/GaN 異質結構 ... 14 第三章 元件結構和製造程序 ... 16 3-1 元件結構 ... 16 3-1-1 高臺絕緣 ... 16 3-1-2 源極和汲極歐姆接觸 ... 17 3-1-3 閘極蕭特基接觸 ... 18 3-2 超音波霧化熱裂解（USPD） ... 19 第四章 實驗結果與討論... 20 4-1 材料分析 ... 20 4-1-1 X 射線光電子能譜儀（XPS） ... 20 4-1-2 穿透式電子顯微鏡（TEM） ... 21 4-1-3 X 射線能量散佈分析儀（EDS） ... 21 4-2 室溫下的直流特性 ... 22 4-2-1 電流－電壓特性 ... 22 4-2-2 轉換特性 ... 22 4-2-3 閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓（BVGD）特性 ... 23 4-2-4 三端關閉狀態崩潰電壓（BVoff）特性 ... 23 4-3 直流變溫特性 ... 25 4-3-1 輸出變溫特性 ... 25

4-4 電容－電壓特性 ... 27 4-4-1 遲滯現象 ... 28 4-4-2 界面狀態密度（Dit） ... 28 4-5 微波特性 ... 29 4-5-1 截止頻率（fT）以及 最大震盪頻率（fmax）特性 ... 29 4-5-2 功率特性 ... 31 4-5-3 高頻雜訊特性 ... 32 4-5-4 低頻雜訊特性 ... 33 4-5-5 脈衝模式之特性 ... 33 4-6 光響應特性 ... 34 第五章 結論 ... 37 參考文獻 ... 38

圖片目錄

圖2-1 氮化鎵異質結構場效電晶體結構的極化效應 ... 43 圖3-1 蕭特基閘極異質結構場效電晶體以及氧化鋁金屬-氧化物-半導體 異質結構場效電晶體結構之橫截面圖 ... 43 圖3-2 樣本 A 之製程 ... 44 圖3-3 樣本 B 之製程 ... 45 圖3-4 超音波霧化熱裂解技術示意圖 ... 46 圖4-1 氧化鋁薄膜之 TEM 分析 ... 47 圖4-2 氧化鋁薄膜之 EDS 分析 ... 48 圖4-3 AFM 量測系統之結構 ... 48 圖4-4 氧化鋁薄膜之 AFM 二維分析 ... 49 圖4-5 氧化鋁薄膜之 AFM 三維分析 ... 49 圖4-6 室溫下蕭特基-閘極異質結構場效電晶體之電流-電壓特性 ... 50 圖4-7 室溫下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 電流-電壓特性 ... 50 圖4-8 室溫下蕭特基-閘極之外質轉導與汲極漏電流 ... 51 圖4-9 室溫下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 外質轉導與汲極漏電流 ... 51 圖4-10 樣本 A 與樣本 B 之臨界電壓（Vth）特性 ... 52 圖4-11 樣本 A 之閘極-汲極雙端關閉狀態崩潰電壓（BVGD）特性 52 圖4-12 樣本 B 之閘極-汲極雙端關閉狀態崩潰電壓（BVGD）特性 53 圖4-13 樣本 A 之汲極-源極三端關閉狀態崩潰電壓（BVoff）特性 . 53

圖4-15 300 K 到 450 K 之傳統異質結構場效電晶體的直流溫度依賴 特性 ... 54 圖4-16 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體的直流溫度依賴特性 ... 55 圖4-17 300 K 到 450 K 之傳統異質結構場效電晶體的直流溫度依賴 特性 ... 55 圖4-18 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體的直流溫度依賴特性 ... 56 圖4-19 300 K 到 450 K 之傳統異質結構場效電晶體的直流溫度依賴 特性 ... 56 圖4-20 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體的直流溫度依賴特性 ... 57 圖4-21 傳統異質結構場效電晶體之電容-電壓特性 ... 57 圖4-22 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之電容-電壓 特性 ... 58 圖4-23 1 MHz 下金屬-半導體（M-S）蕭特基異質結構場效電晶體之 遲滯特性 ... 58 圖4-24 1 MHz 下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 遲滯特性 ... 59 圖4-25 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之電容-電壓 特性 ... 59 圖4-26 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 界面狀態密度-電壓特性 ... 60 圖4-27 傳統異質結構場效電晶體之截止頻率（fT）與最大振盪頻率 （fmax）特性 ... 60

圖4-29 2.4 GHz 下傳統與氧化鋁金屬-氧化物-半導體的異質結構 場效電晶體之功率附加效率（P. A. E.）、輸出功率（Pout）和相關增益 （Ga）特性 ... 61 圖4-30 傳統與氧化鋁金屬-氧化物-半導體的異質結構場效電晶體的 最小雜訊係數（NFmin）與相關增益（Ga）對頻率之特性 ... 62 圖4-31 傳統與氧化鋁金屬-氧化物-半導體的異質結構場效電晶體之 低頻雜訊特性 ... 62 圖4-32 傳統異質結構場效電晶體之直流與脈衝特性 ... 63 圖4-33 金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之直流與脈衝 特性 ... 63 圖4-34 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 64 圖4-35 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 64 圖4-36 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 65 圖4-37 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 65 圖4-38 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 66 圖4-39 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 66 圖4-40 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓 特性 ... 67 圖4-41 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓

圖4-42 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 68 圖4-43 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 68 圖4-44 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 69 圖4-45 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 69 圖4-46 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 70 圖4-47 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 70 圖4-48 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 71 圖4-49 照光與暗環境製程下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構 場效電晶體之電流-電壓特性 ... 71

表格目錄

表1-1 半導體材料特性的比較 ... 10 表1-2 不同介電材料的比較 ... 12 表1-3 不同氧化層的沉積方法比較 ... 13 表2-1 氮化鎵與其他基板的比較 ... 15 表4-1 氧化物的厚度 ... 20 表4-2 氧化物厚度的比較 ... 21 表4-3 由 AFM 所測量的表面粗糙度 ... 21 表4-4 總結了樣本 A 與 B 的直流特性... 24 表4-5 樣本 A 從 300 K 到 450 K 的直流變溫特性 ... 25 表4-6 樣本 B 從 300 K 到 450 K 的直流變溫特性 ... 25 表4-7 樣本 A 從 300 K 到 450 K 的崩潰電壓變溫特性 ... 26 表4-8 樣本 B 從 300 K 到 450 K 的崩潰電壓變溫特性 ... 26 表4-9 樣本 A 與樣本 B 的電容特性... 27 表4-10 樣本 A 與樣本 B 的遲滯特性比較 ... 28 表4-11 樣本 B 的遲滯特性 ... 29 表4-12 樣本 A 與樣本 B 的截止頻率（fT）與最大振盪頻率（fmax） 比較 ... 30 表4-13 2.4 GHz 環境下的功率特性 ... 31 表4-14 樣本 A 與樣本 B 的雜訊特性數值 ... 32 表4-15 樣本 A 與樣本 B 的電流崩潰特性 ... 34 表4-16 採用光源的波長及功率 ... 34 表4-17 樣本 A 在不同光源下的直流特性 ... 35 表4-18 樣本 B 在不同光源下的直流特性 ... 36

第一章

介紹

氮化鎵（GaN）基板具有許多優異的性能，例如有著較大的崩潰電 場、寬能隙和極化場形成的高遷移率，而氮化鎵（GaN）基板成長的異質 結構場效電晶體（HFET）因其高崩潰、高功率微波與高頻率的應用受到 廣泛的關注 [1] [2] [3]。在下列表 1-1 列出主要的半導體參數。 表1-1 半導體材料特性的比較 特性 氮化鎵 （GaN ） 砷化鎵 （GaAs ） 矽 （Si） 磷化銦 （InP） 碳化矽 （SiC） 電子遷移率 （cm2 /V-s） 1500 6000 1500 5400 700 能隙 （eV） 3.4 1.43 1.12 1.34 3.2 熱傳導係數 （W/Kcm ） @300K 1.3 0.54 1.5 0.67 1.3 崩潰電場 （MV/cm） 5 0.6 0.3 0.45 3.5

為了提升性能，氮化物基板的異質結構場效電晶體結合許多不同的能 障和通道設計 [4]，最常見的設計是有著壓電極化與自發極化產生二維電 子雲（2DEG）的氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構，在氮化鋁鎵/氮化鎵界面之間 製造薄的氮化鋁（AlN）間隔層可以有效的改善載子密度和二維電子雲的 晶格散射 [5]以提供更好的載子特性。 把氮化鋁鎵（AlGaN）阻擋層替換成氮化銦鋁（InAlN）阻擋層[6]可 使異質結構場效電晶體的性能更加提升，且利用氮化銦鋁阻擋層可以調節 In 含量來使異質結構的晶格匹配。當氮化銦鋁的銦含量為 18%時 [7]，氮 化銦鋁可以與氮化鎵晶格匹配，並提供比氮化鋁鎵（AlGaN）更高的載子 密度。另一方面，在氮化銦鋁/氮化鎵異質結構中插入的薄氮化鋁間隔層 能改善晶格散射，從而使極化場增強並使結構有更高的遷移率和載子密 度。 由於抑制閘極漏電流和電場可以使崩潰電壓特性將在相同偏壓下提 升。因此，需要沉積高介電常數（高K）的材料以減少穿隧電流 （tunneling currents）。而且，這是最有效的方法來降低漏電流以使元件保 持電特性。現在許多介電材料已經被廣泛研究，包括氧化鎂 [8]、 氧化鉿 [9]、 氧化矽 [10]、氧化鈦 [11]、 氧化鑭 [12] 和氧化鋁 [13]這些作為 閘極的介電質。在下列表1-2 [14]顯示材料的介電常數和能隙大小。

表 1-2 不同介電材料的比較 材料 氧化鉿 （HfO2） 氧化鋁 （Al2O3） 氧化鈦 （TiO2） 氧化鑭 （La2O3） 氧化矽 （SiO2） 介電常數 16~30 9.5~12 86~173 25~30 3.8~3.9 能帶間隙 （eV） 4.5~6 8.8 3.05 6 9 傳導帶偏移 （eV） 1.5 2.8 ~0 1.5 3.15 有很多不同的方法可以用來沉積氧化層薄膜，包括等電漿化學氣相沉 積（PECVD）[15]、有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）[16]、原子層沉 積[17]和濺鍍[18]，但是上述的方法都需要在真空的環境下和複雜的製程 才能完成。 在本篇專題中，利用超音波霧化熱裂解法（USPD）[19]沉積高 K 的 氧化鋁（Al2O3）介電質。氧化鋁（Al2O3）具有高於 9 的高介電常數和 9eV 左右的寬能隙 [20] [21] [22]。超音波霧化熱裂解法技術具有以下幾個 優點，包括可在非真空的環境下進行沉積、高氧化物的生長速率和較安全 的製程。下列表1-3 顯示了不同薄膜沉積的優缺點。

表1-3 不同氧化層的沉積方法比較 優點 缺點 電漿化學 氣相沉積 （PECVD） 高沉積速率 電漿可能會損壞薄膜 有機金屬 化學氣相沉積 （MOCVD） 1. 優秀的階梯覆蓋率 2. 可立即沉積氧化層 1. 高製程成本 2. 高真空環境 原子層沉積 （ALD） 1. 優秀的階梯覆蓋率 2. 沉積厚度可控制 1. 高製程成本 2. 低沉積速率 3. 高真空環境 濺鍍 （sputtering） 1. 良好的階梯覆蓋率 2. 均勻性佳 1. 靶材昂貴 2. 沉積材料受限於靶材 超音波霧化 熱裂解法 （USPD） 1. 無須高真空環境 2. 高沉積速率 3. 廣泛的材料選擇 1. 需要化學前驅物 2. 前驅物可能蝕刻表面

第二章

InAlN/AlN/GaN 異質結構

2-1 InAlN/AlN/GaN 異質結構

晶格匹配的 In0.18Al0.82N/AlN/GaN 異質結構具有高於傳統氮化鋁鎵/氮 化鎵異質結構 [23] [24] [25]的極化強度，所以在阻擋層厚度< 10nm 時具 有更高的電荷密度，藉此提升Ⅲ-氮化物異質結構場效電晶體的電特性。 因為當異質結構沿極性方向生長時，量子阱將位於氮化銦鋁/氮化鎵介面 處並且導致氮化物系列的異質結構有更強的壓電和自發極化場，即使在該 結構中沒其他參雜 [26]，它還是會在氮化銦鋁/氮化鎵介面形成二維電子 （2DEG）。圖 2-1 顯示壓電與自發極化效應如何帶來二維電子雲 （2DEG）。氮化銦鋁（InAlN）能隙比氮化鋁鎵（AlGaN）能隙寬，因此 可以更有效的抑制閘極漏電流，可以獲得有更好的電晶體性能和獲得更高 的閘極蕭特基能障高度。 現今有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）法和分子束磊晶（MBE） [27]法是最常見用於在不同的基板上成長高質量氮化鎵（GaN）薄膜的磊 晶系統，例如：矽基板 [28]、藍寶石基板 [29]和碳化矽（SiC）基板 [30]。在基板上生長氮化鎵（GaN）會有一些問題，不僅有大量的晶格不 匹配還有外延層和基板之間的熱相容性。表2-1 顯示氮化鎵與其他基板材 料的熱膨脹係數和導熱係數比較。

表 2-1 氮化鎵與其他基板的比較 特性 矽 （Si） 藍寶石 （Sapphire ） 氮化鎵 （GaN） 碳化矽 （SiC） 導熱係數 （W/cm-K） 1.5 0.5 5.6 3.5 熱膨脹係數 （10-6_/K） 2.6 7.5 5.6 4.2 晶格不匹配 （%） -17 -15 - 3.5 成本 較低 低 高 高 晶格不匹配會導致元件出現一些問題，例如薄膜中散熱較差所產生的 自熱效應以及結構錯位導致的電流崩潰，而藍寶石基板具有低成本和高品 質的優點。但是另一方面，在高功率模式下運作時，藍寶石基板因為導熱 性差（0.5 W/cm-K） [31]所以會導致自加熱效應和性能降低。而碳化矽基 板（SiC）具有高導熱率（3.5 W/cm-K）、較低的晶格不匹配，並且具有更 好的散熱和崩潰特性。但由於高成本和小尺寸的缺點，導致以碳化矽 （SiC）製成的元件複雜性和成本增加。因此，我們可以替換基板來避免 氮化鎵（GaN）基板異質結構場效電晶體的自加熱效應 [32]。為了改善散 熱並降低晶元成本，我們在本專題中利用矽（Si）基底作為基板 [33]來製 造元件。

第三章

元件結構和製造程序

3-1 元件結構

為了製造樣本，氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵異質結構場效電晶體 （HFET）使用有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD）在 3 英寸矽基板上生 長。其結構包含 矽基板、成核層，1000 奈米的 GaN 層，1 奈米的 AlN 和9 奈米的 In0.18Al0.82N。元件結構如圖 3-1 所示。

3-1-1

高臺絕緣

高臺絕緣的目的是為了減少漏電流以獲得更佳的夾止特性。首先，用 超聲波振動清洗浸入丙酮中的樣本五分鐘，同時清洗樣本表面的油污，然 後使用去離子水去除樣本上殘留的丙酮。接下來，使用純鹽酸（HCl）去除 表面氧化物和表面損傷。樣本清洗完畢後，將晶元放在旋轉台（FH6400L） 上旋轉塗佈正光阻。 接著進行軟烘烤，在 90℃的烘箱中烘烤 30 分鐘後，使用光罩接觸校 準儀（OAI 模型 3HR / IR）曝光 25 秒來定義樣本高臺絕緣的光阻圖形， 並浸入顯影劑 35 秒。我們使用蒸鍍機沉積鎳（Ni）100 nm 來替換光阻 做為光罩。在此之後，使用丙酮來執行剝離程序去除光阻，再使用感應耦 合電漿體反應離子蝕刻機（ICP-RIE）加入氬氣/氯氣等離子體蝕刻來定義 表面區域。我們用的蝕刻參數分別為氯氣為 230 sccm 和氬氣為 10 sccm。ICP 的功率為 700 瓦，RIE 的功率為 120 瓦，腔室施加 3 毫托

高臺絕緣的主要步驟如下： 1. 樣本清潔 2. 旋轉塗佈 3. 軟烘烤（預曝光烘烤） 4. 曝光 5. 顯影 6. 蒸鍍 7. 掀離 8. 乾蝕刻 9. 鎳移除

3-1-2

源極和汲極歐姆接觸

首先，將樣本浸入丙酮（C3H6O）中並以超聲波振動清洗五分鐘，同 時使用丙酮清洗樣本表面的油汙，接著使用去離子水清除樣本上殘留的丙 酮。樣本清洗後，將晶元放在旋轉儀中旋轉並在表層塗佈正光阻 （FH6400L）。為了獲得均勻的光阻膜，旋轉儀的旋轉速度和旋轉時間先 以每分鐘8000 轉的速度，持續 12 秒，再以每分鐘 9000 轉的速度，持續 25 秒，使光阻均勻分佈在樣本上。然後實施軟烘烤，在 90℃烤箱中烘烤 30 分鐘，最後使用標準光蝕刻定義源極和汲極的圖形。在蒸鍍前，我們 使用丙酮和鹽酸（HCl）以超聲波震動清洗金屬和鎢舟 10 分鐘。接下來， 以去離子水沖洗同時使用高純度的氮氣烘乾金屬和鎢舟。因為鈦/鋁層有 較低的功函數，所以我們選擇鈦/鋁/金作為源極和汲極中歐姆接觸的金 屬，鈦/鋁/金的厚度分別為 10 奈米/100 奈米/ 50 奈米。在快速熱退火之 後，金屬和半導體界面中形成鋁/鈦/氮合金，而金層可以防止鋁向外擴散 並在電極表面上形成氧化鋁。我們通過快速熱退火系統（RTA）

（ULVACMILA-5000）在 900°C 下對樣本退火 30 秒以形成鈦/鋁/金合金， 並使源極和汲極的間距為10 微米。 源極－汲極歐姆接觸的主要步驟如下： 1. 樣本清潔 2. 旋轉塗佈 3. 軟烘烤（預曝光烘烤） 4. 曝光 5. 顯影 6. 蒸鍍 7. 掀離 8. 退火

3-1-3

閘極蕭特基接觸

在沉積理想的歐姆接觸電極之後，我們採用鎳（100 nm）/金（50 nm）合金作為閘極蕭特基接觸。首先，我們使用丙酮清洗樣本，然後利 用去離子水去除殘留溶液。樣本清洗後，將晶元放進旋轉儀中旋轉並在表 層塗佈正光阻（FH6400L）。為了獲得均勻的光阻膜，旋轉儀的旋轉速度 和旋轉時間先以每分鐘8000 轉，持續 12 秒，再以每分鐘 9000 轉，持續 25 秒，使光阻得以均勻分佈在樣本上。然後實施軟烘烤，在 90℃烤箱中 進行烘烤30 分鐘。在此之後，使用標準光蝕刻來定義閘極的圖形。之 後，我們以熱蒸鍍法在樣本上沉積了鎳（100 nm）/金（50 nm）來形成蕭 特基閘極。由於Ni 本身就具有高金屬功函數，因此可以增加蕭特基能障 高度來抑制漏電流，並獲得更高的崩潰電壓。金具有良好的導電性，是降 低接觸電阻的優良材料。在熱蒸鍍製程後，我們使用丙酮去掀離光阻，至

此傳統的蕭特基閘極氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵異質結構場效電晶體已經大 致完成。

蕭特基接觸的主要步驟如下： 1. 樣本清潔 2. 旋轉塗佈 3. 軟烘烤（預曝光烘烤） 4. 曝光 5. 顯影 6. 硬烘烤 7. 蒸鍍 8. 掀離 我們將蕭特基閘極異質結構場效電晶體定義為樣本 A，氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體為樣本 B，樣本 A 與樣本 B 的元件製 程過程如圖 3-2、圖 3-3 所示。

3-2 超音波霧化熱裂解法（USPD）

為了形成氧化鋁氧化物膜，有許多方法可以形成氧化層，例如電漿化 學氣相沉積（PECVD）、濺鍍、原子層沉積（ALD）和超音波霧化熱裂解 法（USPD）技術。整體而言，超音波霧化熱裂解法技術是一種優越的技 術。這項技術是由載流氣體將超音波霧化產物傳輸並附著在基板表面，最 後加熱乾燥形成。圖3-4 為超音波霧化熱裂解法技術示意圖。

第四章

實驗結果與討論

4-1 材料分析

在這次的工作中，我們使用超音波霧化熱裂解法（USPD）技術來沉積 氧化鋁氧化層。在這個章節中，我們將會透過穿透式電子顯微鏡（TEM）、 X 射線能量散步分析儀（EDS）和原子力顯微鏡（AFM）來簡短介紹關於 介電值成分、表面粗糙度以及氧化層厚度。

4-1-1 穿透式電子顯微鏡（TEM）

穿透式電子顯微鏡（TEM）是一種顯微技術，透過電子束穿過樣本以 形成圖像。當光束穿透過樣本時，由電子與樣本的相互作用形成圖像。由 於電子具有較小的德布羅伊波長，穿透式電子顯微鏡能夠以比光學顯微鏡 更高的分辨率成像。因此，可很好的觀察出氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵的氧 化鋁薄膜和結構的橫截面穿透式電子顯微鏡（TEM）圖像，圖像如圖 4-1 所示，實驗結果也總結在表4-1 當中。 表4-1 氧化物的厚度 材質 氧化鋁 （Al2O3） 氧化物厚度（nm） ~10

4-1-2 X 射線能量散佈分析儀（EDS）

X 射線能量散步分析儀（EDS）是一種用於顯示樣本的元素分析或化學 表現的技術。主要藉由電子束所激發的特徵X 光和樣本的相互作用來分析。 主要是由於每個元件具有獨特的原子結構，因此有相對應的一組電磁信號 發射波譜。元件的 X 射線能量散佈分析儀測量結果如圖 4-2 所示，實驗結 果也總結在表表4-2 當中。 表4-2 氧化物厚度的比較 氧化鋁氧化層 元素 氧（O） 鋁（Al） 氧/鋁 （O/Al） 原子（%） _{59.2 40.8 145.1}

4-1-3 原子力顯微鏡（AFM）

原子力顯微鏡（AFM）是一種非常高分辨率的掃描式探針顯微鏡。原 子力顯微鏡測量系統的結構如圖 4-3 所示。原子力顯微鏡是藉由探針沿著 樣本表面移動以測量表面粗糙度。其中氧化鋁最佳的表面平整度為10 奈米， 如圖 4-4 至圖 4-5 所示。表面粗糙度如表 4-3 所示。 表 4-3 由 AFM 所測量的表面粗糙度 均方根厚度（Sq） （nm） 平均厚度（Sa） （nm） 氧化鋁氧化層 1.7078 0.800875

4-2 室溫下的直流特性

元件的閘極長度（Lg） 為 2 微米，閘極寬度（Wg）為100 微米，源極 和汲極間的長度（LSD）為10 微米，並透過半導體參數分析儀（Keithley 4200） 在室溫下測量晶圓上的特性。

4-2-1 電流－電壓特性

圖4-6、圖 4-7 分別為傳統型異質結構場效電晶體（樣本 A）、氧化鋁 金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體（樣本 B）的典型汲極-源極的電 流（IDS）對電壓（VDS）特性。其中樣本A 的閘極偏壓（VG）為 3 V 至 -7 V，樣本 B 至樣本 E 為 5 V 至 -6 V，每一階段為 -1 V，所有元件的汲 極-源極偏壓均為 0 V 至 15 V。 樣本A 在閘極偏壓為 3 V 時的最大汲極-源極電流密度（IDS,max）為544.2 mA/mm，樣本 B 在閘極偏壓為 5 V 時為 810.4 mA/mm。結果顯示出金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體藉由超音波霧化熱裂解法技術沉積介 電質的電流密度提升 48.9%，此種方法可以改善表面狀態密度並降低汲極-源極電阻來提升載子密度。

4-2-2 轉換特性

樣本 A 與樣本 B 的室溫直流轉換特性如圖 4-8、圖 4-9 所示，其中樣 本A 的汲極-源極電壓（VDS）為7 V，樣本 B 為 10 V。 樣本A 的最大外質轉導（gm,max）為221.2 mS/mm。而由於沉積高 K 的 氧化層作為介電質提升了閘極到通道的有效調變距離之關係，樣本 B 為 180.4 mS/mm。閘極電壓擺幅（GVS）定義為可用的閘極偏壓範圍，其中相

樣本 B 為 2.4 V。由於抑制了閘極漏電流，金屬-氧化物-半導體異質結構場

效電晶體具有更大的閘極電壓擺幅。樣本 A 的無閘極偏壓飽和電流密度

（IDSS0）為331.3 mA/mm，樣本 B 為 427.78

mA/mm，顯示出金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體經過超音波霧化熱裂解法沉積介電質成功改善 了表面狀態並鈍化懸浮鍵以提升電流。樣本 A 的臨界電壓（Vth）為 -4.2 V， 樣本 B 為臨界電壓（Vth）-5.1 V，如圖 4-10 所示。另一方面，樣本 A 的開 /關電流比（Ion/Ioff）為1.7 × 105，樣本 B 為 5.54 × 109。

4-2-3

閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓

（BVGD）特性

樣本 A 和樣本 B 的所有元件關閉狀態之閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓 （BVGD）和漏電流密度，皆顯示於圖4-11、圖 4-12。閘極-汲極關閉狀態崩 潰電壓定義為閘極電流（IGD）達到1mA / mm 時的電壓，且呈現於圖 4-38。 樣本 A 的閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓/開啟電壓值分別為 -126 V / 3.39 V， 樣本 B 分別為 -185.5 V / 4.84 V，而樣本 A 的漏電流密度為 1.4×10−2_{mA /} mm，樣本 B 的漏電流密度為 1.1×10−6_{mA / mm。結果表明，與樣本 A 相} 比，超音波霧化熱裂解法沉積的氧化鋁氧化物層可以抑制閘極漏電流，從 而提高閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓和開啟電壓的電壓值，並降低閘極與汲 極之間的電場。此外，樣本B 之漏電流比樣本 A 低一萬倍，表示出閘極氧 化層中陷阱成功鈍化。

4-2-4 三端關閉狀態崩潰電壓（BVoff）特性

圖4-13 至圖 4-14 顯示了樣本 A 與樣本 B 的三端關閉狀態崩潰電壓 （BVoff）特性。三端關閉狀態崩潰電壓定義為當閘極為夾止（pinch-off） 電壓（-10 V）時，且關閉狀態的汲極漏電流增加至 1 mA / mm 時的電

樣本 A 的元件之三端關閉狀態崩潰電壓的值為 83 V，樣本 B 為 162 V。 由於超音波霧化熱裂解法所沉積的閘極氧化物可以有效地抑制漏電流和通 道層之衝擊游離效應，因此金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體的三 端關閉狀態崩潰電壓特性可以得到提升。如表4-4 所示，總結了樣本 A 與 樣本 B 在室溫下的直流（DC）特性。 表 4-4 總結了樣本 A 與 B 的直流特性 樣本 A B ID,max （mA/mm） 544.2 （VG = 2 V） 810.4 （VG = 5 V） IDSS0 （mA/mm） 427.78 331.3 gm,max （mS/mm） 221.2 180.4 GVS（V） 0.5 2.4 Vth（V） -4.2 -5.1 Ion/Ioff 1.7×105 5.54×108 BVGD（V） -126 -185.5 Ig （mA/mm） 1.4×10-3 1.1×10-6 Von（V） 3.39 4.84

4-3 直流變溫特性

4-3-1

輸出變溫特性

圖4-15、圖 4-16 顯示樣本 A 和樣本 B，從 300K 加熱到 450K 的環境 中的汲極-源極的電流密度（IDS）對電壓（VDS）特性，每一階段上升 50K。汲極-源極偏壓設置為從 0 V 到 15 V、樣本 A 到 B 的閘極偏壓設置 為3 V 的汲極-源極的電流（IDS）對電壓（VDS）之變溫特性。其中樣本A 的閘極偏壓（VG）為3 V 至 -7 V，樣本 B 為 5 V 至 -6 V，每一階段為 -1 V，所有元件的汲極-源極偏壓均為 0 V 至 15 V。 結果表明，汲極電流密度隨著溫度的升高而降低，這是因為強大的載 子散射使電子遷移率降低所導致的。表4-5、表 4-6 分別顯示樣本 A 與樣 本B 從 300 K 至 450 K 的最大汲極電流密度（ID,max）。 表 4-5 樣本 A 從 300 K 到 450 K 的直流變溫特性。 樣本A 300 K 350 K 400 K 450K 特性變化 ID,max （mA/mm ） 546.6 464.7 407.3 353.9 26.9% 表 4-6 樣本 B 從 300 K 到 450 K 的直流變溫特性 樣本B 300 K 350 K 400 K 450K 特性變化

（mA/mm ）

4-3-2

崩潰電壓變溫特性

圖 4-17 和圖 4-20 顯示了樣本 A 和樣本 B 從 300 K 到 450 K 的崩潰特 性。汲極-源極偏壓設置為 7 V。樣本 A 和樣本 B 之閘極偏壓設置為從 2 V 到 -6 V。我們觀察到，溫度升高將會使崩潰電壓降低，是因為隨著溫度 的升高會導致汲極電流密度衰減。表 4-7、表 4-8 分別顯示了樣本 A 至樣 本B 的崩潰電壓，溫度範圍為 300 K 至 450 K。 表4-7 樣本 A 從 300 K 到 450 K 的崩潰電壓變溫特性 樣本 A 300 K 350 K 400 K 450K 特性變化 BVGD （V） -127 -113.5 -104.5 -96.5 24.1% BVDS （V） 83.4 69.1 61.8 50.3 26.9% 表 4-8 樣本 B 從 300 K 到 450 K 的崩潰電壓變溫特性 樣本 B 300 K 350 K 400 K 450K 特性變化 BVGD （V） -158.5 -147.5 -144.5 -134 15.4%

BVDS

4-4 電容－電壓特性

電容-電壓特性可以顯示出元件之材料特性。樣本 A 與樣本 B 的電容-電壓特性如圖4 -21、圖 4-22 所示。我們使用 -6 V 至 3.5 V 的閘極電壓和 1 MHz 的頻率進行測量。為了計算金屬-氧化物-半導體異質結構的介電常 數（k），電容方程式如下： 1 𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1 𝐶𝑜𝑥+ 1 𝐶𝐻𝐹𝐸𝑇 （1） 𝐶_𝑜𝑥 = 𝐾𝜀₀ 𝐴 𝑑_𝑜𝑥 （2） 其中真空介電常數為 8.854×10-12 _{F/m。蕭特基接觸面積（A）為 1000} μm2_{。氧化層厚度（d} ox）對於氧化鋁之金屬-氧化物-半導體異質結構場效電 晶體為10nm。樣本 A 的金屬-半導體蕭特基異質結構電容（CHFET）為155.9 pF。樣本 B 的金屬-氧化物-半導體的總電容（Ctotal）為 86.8 pF，而樣本 B 的氧化層電容（Cox）為195.8 pF，介電常數（k）為 9.24。表 4-9 顯示了樣 本A 與樣本 B 的電容特性。 表4-9 樣本 A 與樣本 B 的電容特性 樣本 A B 電容（pF） 155.9 86.8 Cox（pF） － 195.8 介電常數 － 9.24

4-4-1 遲滯現象

圖 4-23、圖 4-24 為樣本 A 以及樣本 B 的遲滯特性，在閘極偏壓 -6 v 至0 v，以及 0 v 至 -6 v 在 1 MHz 下量測。表 4-10 為遲滯特性的數值，結 果明確地顯示以超音波霧化熱裂解法製作的氧化鋁介電質可以有效的改善 界面陷阱密度。 表4-10 樣本 A 與樣本 B 的遲滯特性比較 樣本 蕭特基 氧化鋁 △V（V） 0.36 0.23

4-4-2 界面狀態密度（D

it

）

圖 4-25 為樣本 B 的高/低頻電容-電壓（C-V）特性，界面狀態密度 （Dit）的公式可表示為： 𝐷_𝑖𝑡 =𝐶𝑜𝑥 𝑞 （ 𝐶𝐿𝐹 𝐶𝑜𝑥 1−𝐶𝐿𝐹 𝐶𝑜𝑥 − 𝐶𝐻𝐹 𝐶𝑜𝑥 1−𝐶𝐻𝐹 𝐶𝑜𝑥 ） （3） 其中 q 代表的是基本電荷（elementary charge），Cox為氧化層電容， CLF為10 KHz 的低頻電容，CHF 為1 MHz 的高頻電容，結果顯示在圖 4-26 以及表 4-11，說明以超音波霧化熱裂解法製作的氧化鋁介電質能夠有 效的改善界面陷阱密度。

表 4-11 樣本 B 的遲滯特性 樣本 氧化鋁(Al2O3) Dit （cm-2_eV-1_） 2.6×10 11

4-5 微波特性

4-5-1 截止頻率（f

T

）以及最大震盪頻率（

f

max

）特性

樣本 A 與樣本 B 之微波特性都是在 0.2 GHz 到 50 GHz 以向量網絡分 析儀（HP-8510B）在晶圓上量測，元件的閘極尺寸為 2 × 100 µm2_{，汲極-源} 極間距為10 微米。電晶體量測到的 S 參數可以計算出短路電流增益（H21） 以及最大功率增益（MAG）： |𝐻₂₁| = −2𝑆21 (1−𝑆₁₁)(1+𝑆₂₂)+𝑆₁₂∙𝑆21 （4） 與 𝑀𝐴𝐺 =|𝑆21| |𝑆₁₂|∙ (𝑘 − √𝑘 2_{− 1) （5）} 且 𝑘 = 1−|𝑆11|2−|𝑆22|2+|𝑆11∙𝑆22−𝑆12∙𝑆21| a222∙|𝑆12∙𝑆21| （6） 當 k 等於 1 時，MAG 被定義成最大穩定功率增益（MSG）。因此最大 穩定功率增益（MSG）可表示為下列公式:

單位電流增益截止頻率（fT）為短路電流增益（H21）在0 dB 時的頻 率，最大振盪頻率（fmax）為最大功率增益（MAG）在 0 dB 時的頻率。單 位電流增益截止頻率（fT）與最大振盪頻率（fmax）以下列公式表示: 𝑓_T ≈ gm 2π(CGS+CGD) （8） 與 𝑓_𝑚𝑎𝑥 ≈ 𝑓𝑇 2√𝑅𝑖∙gd （9） 其中 CGS為閘極-源極電容，CGD為閘極-汲極電容，藉由公式可以觀 察到更高的轉導值（gm）會有更好的截止頻率（fT）和最大震盪頻率 （fmax）。圖4-27、圖 4-28 顯示了樣本 A 與樣本 B 的截止頻率（fT）與最 大振盪頻率（fmax）。樣本A 的偏壓條件為 VDS = 5 V，VGS = -1.2 V，樣本 B 的偏壓條件為 VDS = 10 V，VGS = -2.3 V。結果也顯示在表 4-12 當中。 表4-12 樣本 A 與樣本 B 的截止頻率（fT）與最大振盪頻率（fmax）比較 樣本 A B fT（GHz） 1.7 2.3 fmax（GHz） 2.0 3.7 因為元件表面懸浮鍵以及相對電容減少，所以可從數值中看出以超音 波霧化熱裂解法研製的金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體能夠獲得

4-5-2

功率特性

輸出功率（Pout）以及附加功率效率（P. A. E.）的公式表示為: P_out =1 8(Imax)(BVGD − Vknee) （10） P. A. E. = Pout−Pin P_DC × 100% （11） 其中 BVGD為閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓，Vknee為膝點電壓，PDC為 直流消耗功率。射頻能量的直流變化量視為元件電源轉換器的附加功率效 率（P. A. E.）。圖 4-29 顯示了輸出功率（Pout）以及功率附加效率（P. A. E.） 對輸入功率的函數，其中樣本 A 的偏壓條件為 VGS = -1.5 V，VDS = 5 V，樣本 B 的偏壓條件為 VGS = -1.5 V，VDS = 5.5 V。表 4-13 為在 2.4 GHz 環境下的功率特性。 表 4-13 2.4 GHz 環境下的功率特性 2.4 GHz 樣本 A 樣本 B P. A. E.（%） 16.5 26.3 Pout（dBm） 6.8 10.8 Ga（dB） 18.4 24.5 由於氧化層的沉積使閘極-汲極關閉狀態崩潰電壓（BVGD）與最大

4-5-3 高頻雜訊特性

本次實驗透過雜訊係數儀器（HP8970B）量測樣本 A 與樣本 B 在頻 率1 GHz 到 6 GHz 之下的雜訊表現，最小雜訊（NFmin）可近似成下列公 式： 𝑁𝐹_𝑚𝑖𝑛 = 10𝑙𝑜𝑔 {1 +𝑘𝐹∙𝑓 𝑓𝑇 [𝑔𝑚𝑖(𝑅𝐺 + 𝑅𝑆)] 0.5_{} 𝑑𝐵 （12）} 且 𝑘_𝐹 = 3.38 [ 𝐼𝐷𝑆 (𝐿𝑔∙𝑔𝑚)] 0.5 （13） kF為 Fukui 常數，是一個經驗公式，IDS為量測時的汲極-源極電流，gm 為轉導值，Lg 為閘極長度。圖 4-30 顯示出樣本 A 與樣本 B 的最小雜訊 （NFmin） 與相關增益（Ga）特性，元件的閘極尺寸為2 × 100 µm2，源極 到汲極的長度為10 µm，樣本 A 的偏壓條件為 VDS = 7 V，VGS = -1 V，樣 本B 的偏壓條件為 VDS = 7 V，VGS = -2 V。表 4-14 顯示元件在 2.4 GHz 以 及 6 GHz 之下最小雜訊（NFmin）與相關增益（Ga）的數值。由於樣本B 的 氧化層可以減少元件的表面陷阱密度，所以具有較低的最小雜訊（NFmin） 和較高的相關增益（Ga）。 表 4-14 樣本 A 與樣本 B 的雜訊特性數值 樣本 A B NF min （dB） 2.4 GHz 5.2 3.6 6 GHz 9.5 7.9

4-5-4

低頻雜訊特性

低頻雜訊為一重要參數，它決定了元件在微波應用上的性能。低頻雜 訊量測可以進一步闡明閃爍雜訊與各式製程處理間的關係，且量測時對於 半導體表面非常敏感。

汲極端雜訊藉由Agilent 35670A 放大，且輸出端使用頻譜分析儀（BTA

9812B）在 1Hz~10KHz 下進行分析。樣本操作在偏壓環境 VDS = 3 V 且 IDS = 100 mA/mm 之環境中。圖 4-31 顯示元件的低頻雜訊特性。可看出藉 由超音波霧化熱裂解法技術減少表面效應，因此樣本B 比樣本 A 有更低的 雜訊水平。不同半導體材料及結構中的雜訊，通常由虎克係數（Hooge’s coefficient）αH決定其特性，其公式如下： α_H =SI（𝑓） I2 ∙ f ∙ N （14） 且 N = L2 Rqμ （15） SI（f）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，L 為汲極到源極的間距，R 為通道電阻，μ 為遷移率。 樣本 A 之虎克係數為 7.7 × 10-5_{，樣本B 之虎克係數為 1.1 × 10}-7_。

4-5-5

脈衝模式之特性

圖 4-32、圖 4-33 顯示樣本之直流及脈衝模式特性。此脈衝寬度為 10 微秒且工作週期為 0.1 %。崩潰電流偏差的公式表示為： Ga （dB） 6 GHz 2.1 8.5

∆CC = IDC−Ipulse I_DC × 100% （16） 表 4-15 顯示樣本 A 與樣本 B 之崩潰電流偏差。結果顯示，樣本 B 能 夠減少閘極兩側表面的崩潰電流偏差。 表 4-15 樣本 A 與樣本 B 的電流崩潰特性

4-6 光響應特性

使用三族-氮化物為基板，成功製造出高亮度藍光、綠光的二極體、紫 光雷射二極體以及高功率異質結構場效電晶體（HFETs）。此外，紫外光檢 測器也有從其他團隊的實驗報告中指出其可用性，因此得以實現光導體、 蕭特基光電偵測器、p-i-n 光電二極體及光電異質結構場效電晶體（HFETs）。 這些元件在應用上會對可見光敏感並對弱紫外光高度敏感。 此專題中，我們利用可見光到紫外光的範圍去檢測樣本 A、樣本 B。表 4-16 顯示我們採用光源的波長及功率。圖 4-34 到圖 4-41 及表 4-17 顯示樣 本A 在不同光源下的直流特性。圖 4-42 到圖 4-49 及表 4-18 顯示樣本 B 在 不同光源下的直流特性。 表 4-16 採用光源的波長及功率 光源 波長（nm） 功率（μW） 紅 _{700 4.1} 樣本 A B ΔCC（%）@VGS = 0 V 90.4 9.1

綠 _{550 23} 藍 470 52.3 紫 _{420 14.1} UV1 350 10.4 UV2 300 1.9 UV3 250 1.1 表 4-17 樣本 A 在不同光源下的直流特性 樣本 A 光 源 IDS,max （mA/mm） VTH （V） |ΔVTH| （V） gm,max （mS/mm） Iph （mA/mm） R （A/mW） 不 照 光 546.6 -3.6 - 221..2 - - 紅 _{552.4 -3.9 0.3 221.2 66.36 1.35} 黃 576.8 -3.91 0.31 221.4 68.63 0.28 綠 577.2 -3.93 0.33 221.5 73.09 0.25 藍 _{606.2 -4 0.4 222.8 83.12 0.115} 紫 _{618.0 -4.8 0.8 224.0 179.2 0.43}

UV1 673.6 -4.9 1.3 227.3 295.49 0.66 UV2 716.3 -5.3 1.7 226.1 384.37 0.83 UV3 706.9 -5.2 1.6 224.1 358.56 6.39 表4-18 樣本 B 在不同光源下的直流特性 樣本B 光 源 IDS,max （mA/mm） VTH （V） |ΔVTH| （V） gm,max （mS/mm） Iph （mA/mm） R （A/mW） 不 照 光 810.5 -5.1 - 180.4 - - 紅 _{816.3 -5.5 0.4 181.2 72.48 1.99} 黃 _{840.7 -5.7 0.6 181.7 109.02 0.41} 綠 _{841.1 -5.9 0.8 181.9 145.52 0.37} 藍 _{870.1 -6 0.9 182.3 164.07 0.17} 紫 _{881.9 -6.4 1.3 187.3 243.49 0.64} UV1 937.5 -6.6 1.5 190.6 285.9 0.9

UV3 972.8 -7 1.9 188.1 357.39 8.82

第五章

結論

在此專題中，使用超音波霧化熱裂解法沉積高介電常數的氧化鋁與傳 統異質結構場效電晶體相比能夠大幅的增進直流及射頻特性。由於使用超 音波霧化熱裂解法技術的金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體較傳統 異質結構場效電晶體擁有較高的介電品質及較低的界面密度。本篇使用超 音波霧化熱裂解法沉積改善了元件的性能。 傳統異質結構場效電晶體和氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效

電晶體的最大汲極-源極電流密度（IDS,max）、最大外質轉導（gm,max）和閘極

-汲極雙端關閉狀態崩潰電壓（BVGD）之值分別為 544.2 / 810.4 mA/mm、

212.2 / 180.4 mS/mm 和 -126 / -158.5 V。本專題利用超音波霧化熱裂解法沉

積高 k 的氧化鋁材料在氮化銦鋁/氮化鋁/氮化鎵金屬-氧化物-半導體異質結

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圖片

圖 2-1 氮化鎵異質結構場效電晶體結構的極化效應

圖3-1 蕭特基閘極異質結構場效電晶體以及氧化鋁金屬-氧化物-半導體

圖 3-2 樣本 A 之製程 步驟 1  樣本定向  晶圓清潔 步驟 2  高臺絕緣  高臺蝕刻  蒸鍍鎳和掀離  利用 ICP-RIE 乾蝕刻  利用硝酸移除鎳 步驟 3  源極/汲極蝕刻  蒸鍍鈦/鎳/金和掀離  利用 RTA 退火  源極/汲極歐姆接觸 步驟 4  閘極蝕刻  蒸鍍鎳/金和掀離  閘極蕭特基接觸

圖3-3 樣本 B 之製程 步驟 1  樣本定向  晶圓清潔 步驟 2  高臺絕緣  高臺蝕刻  蒸鍍鎳和掀離  利用 ICP-RIE 乾蝕刻  利用硝酸移除鎳 步驟 3  源極/汲極蝕刻  蒸鍍鈦/鎳/金和掀離  利用 RTA 退火  源極/汲極歐姆接觸 步驟 4  利用 USPD 沉積氧化鋁  閘極蝕刻  蒸鍍鎳/金和掀離  閘極蕭特基接觸

圖4-2 氧化鋁薄膜之 EDS 分析

圖 4-4 氧化鋁薄膜之 AFM 二維分析

0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 樣本 A V GS = 3 ~ -7 V, Step = -1 V I D (m A /m m ) V_DS (V) 圖4-6 室溫下蕭特基-閘極異質結構場效電晶體之電流-電壓特性 0 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 樣本 B V GS = 5 ~ - 6 V,Step = - 1 V I DS (mA /m m ) V_DS (V)

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 樣本 A I D IG gm V DS = 7 V V_GS (V) I DS (m A /m m ), I G (m A /m m ) 0 50 100 150 200 250 300 g m (m S/m m ) 圖4-8 室溫下蕭特基-閘極之外質轉導與汲極漏電流 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 I DS (mA /m m ), I G (mA /m m ) 樣本 B ID IG gm V_DS = 10 V 0 50 100 150 200 250 300 g m (m S/m m ) 圖4-9 室溫下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 外質轉導與汲極漏電流

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 樣本 A 樣本 B Sq uar e r oot of I D (mA /m m ) V_GS (V) 圖4-10 樣本 A 與樣本 B 之臨界電壓(Vth)特性 -150 -100 -50 0 10-4 10-3 10-2 10-1 100 樣本 A I G (mA /m m ) V_GD (V) 圖4-11 樣本 A 之閘極-汲極雙端關閉狀態崩潰電壓(BVGD)特性

-150 -100 -50 0 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 樣本 B I G (mA /m m ) V_GD (V) 圖 4-12 樣本 B 之閘極-汲極雙端關閉狀態崩潰電壓(BVGD)特性 0 40 80 120 160 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 樣本 A V G = -10 V I D (mA /m m ) V DS (V) 圖4-13 樣本 A 之汲極-源極三端關閉狀態崩潰電壓(BVoff)特性

0 40 80 120 160 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 樣本 B V G = -10 V I D (mA /m m ) V_DS (V) 圖4-14 樣本 B 之汲極-源極三端關閉狀態崩潰電壓(BVoff)特性 0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 1200 樣本 A I D (m A /m m ) V DS (V) 300 K 350 K 400 K 450 K 圖 4-15 300 K 到 450 K 之傳統異質結構場效電晶體的直流溫度依賴特性

0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 1200 樣本 B

I D (m A /m m ) V_DS (V) 300 K 350 K 400 K 450 K 圖 4-16 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體 的直流溫度依賴特性 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 10-2 10-1 100 樣本 A 300 K 350 K 400 K 450 K I G (m A /m m ) V GD (V) 圖 4-17 300 K 到 450 K 之傳統異質結構場效電晶體的直流溫度依賴特性

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 300 K 350 K 400 K 450 K 樣本 B I G (m A /m m ) V_GD (V) 圖 4-18 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體 的直流溫度依賴特性 0 20 40 60 80 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 樣本 A @ V G = -10 (V) 300 K 350 K 400 K 450 K I D (m A /m m ) V DS (V)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 樣本 B @ V G = -10 (V) 300 K 350 K 400 K 450 K I D (m A /m m ) V DS (V) 圖 4-20 300 K 到 450 K 之氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體 的直流溫度依賴特性 -6 -5 -4 -3 -2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 樣本 A V_GS = -6 ~ -2 V

電容

(pF)

電壓 (V) 圖 4-21 傳統異質結構場效電晶體之電容-電壓特性

-5.0 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -3.0 0 20 40 60 80 100 V G = -5 ~ -3 (V) 樣本B

電容

(pF)

電壓 (V) 圖4-22 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之電容-電壓特性 -7 -6 -5 -4 -3 -2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 樣本 A V_GS = -7 ~ -2 V V_GS = -7 ~ -2 V

電容

(pF)

電壓 (V) 圖4-23 1 MHz 下金屬-半導體(M-S)蕭特基異質結構場效電晶體之

-5.0 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 0 20 40 60 80 100 V_G = -5 ~ -3 (V) V_G = -3 ~ -5 (V) 樣本B

電容

(pF)

電壓 (V) 圖 4-24 1 MHz 下氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 遲滯特性 -5.0 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4.0 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -3.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1 MHz 10 kHz 樣本B

電容

(pF) 電壓 (V) 圖4-25 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之電容-電壓特性

氧化鋁 -10 -8 -6 -4 -2 0 0.0 5.0x1010 1.0x1011 1.5x1011 2.0x1011 2.5x1011

D

it

(

cm

-2

eV

-1

)

V

_GS

(V)

圖4-26 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 界面狀態密度-電壓特性

0.1 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 f T = 2.3 GHz f max = 3.7 GHz

樣本

B @V DS = 10 V, VGS = -2.3 V

增益

(dB)

頻率

(GHz)

圖4-28 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之 截止頻率(fT)與最大振盪頻率(fmax)特性 -10 -5 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 樣本 A 樣本 B @V_GS = -1.5 V, V_DS = 10 V

P

in

(dBm)

P

ou t

(dB

m), G

a

in (dB

)

0 5 10 15 20 25 30

P

. A. E

. (%)

圖4-29 2.4 GHz 下傳統異質結構場效電晶體與 氧化鋁金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之

1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 G a ( dB )

頻率

(GHz) 樣本 A : V GS = -1 V 樣本 B : V GS = -2 V VDS = 7 V NF min (dB) 0 5 10 15 20 25 30 35 圖4-30 樣本 A 與樣本 B 的最小雜訊係數(NFmin)與相關增益(Ga) 對頻率之特性 101 102 103 104 105 10-25 10-23 10-21 10-19 10-17 10-15 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 樣本 A, @V_G = -1 V 樣本 B, @V_G = -2 V V_DS = 3 V S I ( A 2 /H z)

頻率

(Hz)

-9 -6 -3 0 3 0 200 400 600 800 1000 1200

樣本

A

直流模式

脈衝模式

@V DS = 5 V

脈衝間格

= 10 s

佔空比

= 0.1 %

I

D

(mA

/mm

)

V

_GS

(V)

圖4-32 傳統異質結構場效電晶體之直流與脈衝特性 -9 -6 -3 0 3 0 200 400 600 800 1000 1200

樣本

B

直流模式

脈衝模式

@V_DS = 5 V

脈衝間格

= 10 s

佔空比

= 0.1 % I D (mA/mm)

V

_GS

(V)

圖4-33 金屬-氧化物-半導體異質結構場效電晶體之直流與脈衝特性

0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 暗環境 紅光下 V_GS = 5 V ~ - 6 V Step = - 1 V I DS (mA /m m ) V_DS(V) 圖 4-34 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓特性 0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 暗環境 黃光下 V GS = 5 V ~ - 6 V Step = - 1 V I DS (mA /m m ) V DS (V) 圖 4-35 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓特性

0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 暗環境 綠光下 V_GS = 5 V ~ - 6 V Step = - 1 V I DS (mA /m m ) V_DS(V) 圖 4-36 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓特性 0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 暗環境 藍光下 V_GS = 5 V ~ - 6 V Step = - 1 V I DS (mA /m m ) V DS(V) 圖 4-37 照光與暗環境製程下傳統異質結構場效電晶體之電流-電壓特性