科技前沿|氢终端单晶金刚石反相器

金刚石属于新一代超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高、化学稳定性好等一系列优点，在高频、高温、大功率电子器件等领域有着重要的应用。将金刚石在氢等离子体氛围中处理后形成的氢终端金刚石暴露在空气氛围中以后，能够在氢终端金刚石近表面处形成一层二维空穴气，空穴的浓度通常在1012~1014cm-2，空穴迁移率通常在10~300cm2/Vs。最近，刘金龙等人在高质量金刚石表面制备氢终端时形成致密的薄碳层，实现了高达365cm2/V·s的空穴迁移率。氢终端金刚石表面二维空穴气被广泛应用于金刚石电子器件的研究。

基于氢终端金刚石制备的场效应晶体管已经实现了最高70GHz的截止频率，120GHz的最大振荡频率，2kV的击穿电压以及最大3.8W/mm的输出功率密度。由于氢终端金刚石表面的二维空穴气的形成与暴露在空气中形成的表面吸附层有关，这也导致了氢终端金刚石表面电导稳定性差的问题。为了实现氢终端金刚石场效应晶体管，研究发现，采用具有高功函数的介质或者ALD淀积的介质作为钝化层能够有效改善器件的稳定性。已有很多报道表明，采用H2O作为氧化剂的ALD沉积的Al2O3介质非常适合于氢终端金刚石微波功率场效应晶体管的研制。我们此前研究也发现，采用300℃条件下ALD淀积的Al2O3介质作为FET器件的栅介质和钝化层，不仅能够有效改善器件的稳定性，还能够有效保持氢终端金刚石表面的载流子浓度。经过近二十年的开展，氢终端金刚石场效应晶体管的特性得到了不断的提高，已经开始展现出其巨大的应用潜力。金刚石具有禁带宽度大、载流子迁移率高的优点，在未来高温逻辑电路应用中也有着巨大的应用潜力。因此，研究金刚石逻辑电路的制备，也有着重要的意义。氧化铝介质已被证明能够实现稳定性好的高性能氢终端金刚石MOSFET器件。本研究采用300℃的ALD淀积的氧化铝介质作为栅介质和钝化层制备氢终端金刚石MOSFET器件，并顺利获得与在片制备的电阻互联，实现氧化铝介质的氢终端金刚石反相器。并对器件及反相器性能进行了研究。

关于本实验的图文研究过程：

本实验采用微波等离子体化学气相沉积法外延的单晶金刚石作为衬底。衬底尺寸为8mm×8mm×0.5mm，衬底为（100）晶向。在进行制备工艺之前，先将衬底置于250℃的HNO3与H2SO4溶液中，清洗30分钟，以去除衬底表面的污染物和非金刚石相杂质。然后依次将衬底在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗15分钟。将清洗完成的单晶金刚石放置于微波等离子体化学气相沉积系统中进行氢等离子体处理，处理过程中，氢气流量、甲烷流量、微波功率、压强分别为500sccm、1sccm、2kW和100mbar，处理过程中样品表面温度为800℃，处理时间持续30分钟。处理完成后将氢终端金刚石暴露在空气中，在金刚石表面形成一层二维空穴气。在处理完成后的金刚石表面，采用电子束蒸发设备淀积一层100nm厚度的金层，该金层一方面能够有效保护氢终端金刚石表面的二维空穴气，另一方面可以作为源漏电极的欧姆接触金属。接着采用接触式光刻机进行光刻工艺，然后采用KI/I2的水溶液腐蚀，形成器件的有源区。接着采用低功率氧等离子体对样品进行表面处理，形成器件隔离。接着在进行栅窗口光刻工艺和窗口中金的湿法腐蚀之后，暴露出器件的栅窗口。接着采用ALD设备，采用H2O作为氧化剂，在300℃条件下在样品表面淀积氧化铝介质，介质厚度为15nm。然后，进行下一步光刻，定义器件的栅条。接着，采用电子束蒸发设备淀积一层100nm厚度的铝，作为栅金属。最后，顺利获得金属剥离工艺完成器件的制备。在器件制备的过程中，器件隔离完成之后的第二步光刻同时在衬底表面制备了电阻图形。并顺利获得制备不同间距的电极，实现了不同阻值大小的电阻制备。本研究制备的氢终端金刚石MOSFET栅长为4μm，栅漏间距和栅源间距均为2μm，器件栅宽为50μm。制备了电极间距分别为20μm、80μm和160μm的三种不同阻值的电阻，电阻一端与器件的漏电极相连，另一端测试过程中接直流电压。本研究制备的器件剖面及俯视原理图如图1所示。采用吉时利4200设备对器件及反相器性能进行测试。所有测试均在室温空气环境中进行。

图1 实验制备器件的（a）剖面及（b）俯视图原理图

为了得到实验制备的三个不同间距电阻的阻值，第一时间对实验制备的三个电阻进行电流-电压特性测试。测试结果如图2所示。由图2可以看出，三组电阻都表现出非常好的欧姆接触特性（图2（a））。说明金与氢终端金刚石之间形成了良好欧姆接触。顺利获得计算得到三个电阻值分别为16.7kΩ、69.5kΩ和136.4kΩ，并且电阻值随着电极间距的变化而线性变化（图2（b）），这也表明实验制备的氢终端金刚石具有较好的稳定性。

图2  器件负载电阻（a）I-V特性及（b）电阻阻值

器件的输出特性曲线如图3所示。4μm栅长的器件在-6V的栅电压下实现了最大113.4mA/mm的输出饱和漏电流。本文总结了现在文献中报道的不同条件淀积的氧化铝介质的氢终端金刚石MOSFET器件的最大输出饱和电流密度，如表1所示。可以看出，本研究制备的采用300℃条件下生长的氧化铝介质的氢终端金刚MOSFET器件，具有现在报道的栅长4μm以上的氧化铝介质器件中的最大输出电流密度。从器件输出曲线，可以计算得到-6V栅电压下器件的导通电阻为83.68Ω·mm。该导通电阻达到了之前报道的MOSFET器件的同等水平。

图3 器件输出特性

表1 不同条件淀积下的氧化铝介质的氢终端金刚石MOSEFET期间的最大输出电流密度比较

图4所示为漏电压为-10V时的器件饱和区转移特性。从图4（a）插图中栅电压与漏电流平方根的关系可以得到器件的阈值电压为5.2V，实验制备的氢终7端金刚石MOSFET为耗尽型器件。器件在-0.2V栅压下实现了最高24mS/mm的最大跨导。从图4（b）器件对数坐标的转移曲线可以得到，器件开关比达到了109以上，栅漏电流决定了器件的关态漏电。器件的最小亚阈值摆幅为117mV/dec。

图4  器件转移特性

最后，我们对实验制备的各种负载电阻下的反相器直流电压转移特性进行了测试，结果如图5所示。插图中给出了反相器的电路原理图。测试过程中，VDD施加恒定电压10V。当Vin从12V变化到0V，对于所有的负载电阻情况，我们都观察到了反相器特性。当||<||时，金刚石mosfet器件关断，此时，vdd到地之间电流几乎为零，因此输出电压vout为0v。当||>||时，金刚石MOSFET器件开启，输出电压Vout为导通电阻与负载电阻的分压，器件的导通电阻远小于负载电阻值，因此输出电压Vout为10V。由此可以看出，当输入为高电平时，输出为低电平，当输入为低电平时，输出为高电平，也就是实现了反相器特性。由图5还可以看出，当负载电阻增大时，输出的低电平更低。

图5 不同负载电阻的反向特性                图6   输入电压与负载关系图

计算得到该反相器不同负载电阻情况下增益与输入电压的关系如图6所示。随着负载电阻的增大，反相器增益的最大值出现的Vin值左移，并且随着负载电阻阻值的增大，反相器增益呈现出先增大后减小的趋势，最大增益为10。

 反相器增益的定义为输出电压变化率与输入电压变化率之比（dVout/dVin），电路满足：VDD=VDS+Vout=VDS+IDRD，在输出特性曲线上做图中负载线。随着RD的增大，负载线与纵坐标ID的交点下移。如图7（a）所示，当器件工作在恒流区时，随着RD的增大，固定输入电压，输出电压Vout的变化率逐渐增大，因此反相器增益增大。如图7（b）所示，当器件工作在可变电阻区时，随着RD的增大，固定输入电压，输出电压Vout的变化率逐渐减小，因此反相器增益减小。在最大负载电阻下，当Vin=8V，RD=136.4kΩ时，Vout=7.6V，计算可得：|VDS|=2.4V，|VGS|-|VTH|=3.1V，因此器件已经进入可变电阻区，增益减小。

 本研究成功制备并测试验证了金刚石反相器特性，表明超宽禁带半导体金刚石具有在数字电路中应用潜力。未来将顺利获得提高器件特性，进一步提高金刚石反相器的性能，并顺利获得制备金刚石增强型器件，降低反相器的静态功耗。

图7 （a）恒流区器件输出电压变化；（b）可变电阻区器件输出电压变化

研究采用ALD生长的氧化铝介质制备了栅长为4μm的氢终端金刚石MOSFET器件。并顺利获得互连负载电阻，制备了氢终端金刚石反相器。4μm栅长的器件实现了113mA/mm的最大输出饱和漏电流，器件开关比高达109以上。器件测试表明，当输入电压由12V变化到0V时，输出电压实现了由0V变化到VDD（10V），成功实现了基于耗尽型MOSFET的氢终端金刚石反相器。当负载电阻由16.7kΩ变化到136.4kΩ时，反相器增益呈现出先增大后减小的趋势，最大增益为10。本研究为金刚石在集成电路的应用奠定了基础。此外，基于增强型的氢终端金刚石反相器逻辑电路也正在研究当中。

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