高速與高熱穩定氮化鎵金氧半場效電晶體

(1)

(2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

高速與高穩定氮化鎵金氧半場效電晶體

計畫編號：

NSC 92－2218－E－006－040－

執行期限：

92 年 08 月 01 日至 94 年 03 月 31 日

主持人：李清庭國立成功大學微電子所

一、中文摘要氮化鎵半導體材料金氧半場效電晶體 (MOSFETs)之閘極氧化層由於其離子鍵結難以進行氧化製程，然而一般利用蒸鍍或濺鍍之方式易受到製程條件影響導致品質不佳，本篇利用新提出的光增強濕式的氧化方式，稱作光電化學的氧化方式 (Photoelectrochemical oxidation method, PEC)直接對 n 型氧化鎵材料表面進行氧化，可以有效改善上述氧化層品質不佳之問題。關鍵詞：氮化鎵，金氧半場效電晶體，光電化學氧化方式。 Abstract

Because of ionic bonds, the gate oxide layers of GaN-based MOSFETs are difficult to be oxidized. However, using the way of evaporation or sputter is easy to be affected by conditions of fabrication which lead to unideal quality of the oxide. This research use the new way of oxidation which is called Photoelectrochemical oxidation method (PEC), to oxidize the surface of n-type GaN directly, and then it could improve the quality of the oxide layer.

Keywords ： GaN, MOSFETs,

(3)

(4)

(5)

圖六、元件閘極漏電流特性圖所謂互導值(gm)是在固定汲源極電壓的狀況下，其輸出電流(汲源極電流)與輸出電壓(閘源極電壓)的微分，如下所示： const Vds gs ds m V I g ₌ ∂ ∂ = 因此以源極的電位當作參考電位，汲極和源極的電位差設定為 10V，閘源極的電壓範圍由-3~+6V，圖七為汲源極電壓為 10V 時，元件互導值的特性曲線，由量測的圖形結果可以得到，當閘極的電壓為 0.2V 時，可獲得最大互導值 60mS/mm。圖七、汲源極電壓為 10V 時，元件互導值的特性曲線圖 四、結論 在本年度的計畫中，我們利用光電化學氧化法完成了氮化鎵材料的 MOS 元件，更在成長後的氧化層進行高溫熱處理使其更加緻密化，進一步的降低漏電流並增加崩潰電場。MOSFETs 元件操作在 10V 順向偏壓下其漏電流為 50pA，而在逆向偏壓-10V 下之漏電流為 20pA。另外當閘源極偏壓施加-3V 時，所量測到的輸出電流為 0，元件通道呈現完全的空乏。最後，當閘極的電壓為 0.2V 時，可獲得最大互導值 60mS/mm。 五、參考文獻

[1] C. Gaquiere, S. Trassert, B. Boudart, and Y. Crosnier, “High-power GaN MESFET

on sapphire substrate”, IEEE Microwave

and Guided Wave Letters, vol. 10, pp.19

(2000)

[2] K. W. Lee, D. W. Chou, H. R. Wu, J. J. Huang, Y. H. Wang, M. P. Houng, S. J. Chang and Y. K. Su, “GaN MOSFET with liquid phase deposited oxide gate”,

Electron. Lett., vol. 38, pp. 829-830

(2002).

[3] H. Cho, K. P. Lee, B. P. Gila, C. R. Abernathy, S. J. Pearton, and F. Ren, “Effects of oxide thickness and gate length on DC performance of submicrometer MgO/GaN MOSFETs”,

Electrochem. Solid State Lett., vol. 6, pp.

G119-G121 (2003).

[4] H. C. Casey, Jr., G. G. Fountain and R. G. Alley, B. P. Keller and Steven P. DenBaars, Appl. Phys. Lett., Vol.68, p.1850, (1996)

[5] S. Arulkumaran, T. Egawa, H. Ishikawa, T. Jimbo, and M. Umeno, Appl. Phys. Lett., Vol.73, p.809 (1998)

[6] B. Gaffey, Louis J. Guido, Senior Member, IEEE, X. W. Wang Senior Member, IEEE, and T. P. Ma, Fellow, IEEE, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.48, p.458 (2001)

[7] L. W. Tu, W. C. Kuo, K. H. Lee, P. H. Tsao, and C. M. Lai, A. K. Chu, J. K. Sheu, Appl. Phys. Lett., Vol.77, p.3788 (2000)

[8] Tamotsu Hashizume, Egor Alekseev, and Dimitris Pavlidisb, Karim S. Boutros and Joan Redwing, J. Appl. Phys., Vol.88, p.1983 (2000)

[9] D. J. Fu, Y. H. Kwon, T. W. Kang, C. J. Park, K. H. Baek, H. Y. Cho,

[10] T. Rotter, R. Ferretti, D. Mistele, F. Fedler, H. Klausing, J. Stemmer, O. K. Semchinova, J. Aderhold and J. Graul, “Electrical properties of photoanodically generated thin oxide films on n-GaN”, J.

Crystal Growth, vol. 230, pp. 602-606

(2001).

[11] L. H. Peng, C. H. Liao, Y. C. Hsu, C. S. Jong, C. N. Huang, J. K. Ho, C. C. Chiu and C. Y. Chen, “Photoenhanced wet oxidation of gallium nitride”, Appl. Phys.

Lett., vol. 76, pp. 511-513 (2000).

[12] DieterK. Schroder, “Semiconductor Material and Device Characterization”

(6)

p.339

[13] C. T. Lee, H. Y. Lee and H. W. Chen, “GaN metal-oxide-semiconductor device using SiO2/Ga2O3 insulator grown by

photoelectrochemical oxidation method”,

IEEE Electron Device Lett., vol. 24, pp.

54-56 (2003).

(7)