隨著集成電路工藝步入22 nm工藝節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)所產(chǎn)生的短溝道效應(yīng)及低的擊穿電壓使其不再滿足高頻高功率電子器件領(lǐng)域的需求。近年來，金剛石基MOSFETs的相關(guān)研究引起了人們的極大關(guān)注。

 

金剛石具有能帶間隙寬、導(dǎo)熱系數(shù)高和載流子遷移率高等優(yōu)良電學(xué)特性，在高溫高壓高頻高功率電子器件應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。然而，金剛石基電子器件從材料制備到器件應(yīng)用這一過程的實(shí)現(xiàn)還存在諸多挑戰(zhàn)。為了推動(dòng)金剛石材料電子器件的發(fā)展，加快國(guó)內(nèi)外金剛石基MOSFETs的研究進(jìn)程，近日，北京科技大學(xué)碳基材料與功能薄膜團(tuán)隊(duì)劉金龍副研究員與早稻田大學(xué)Hiroshi Kawarada教授課題組合作的最新成果以“C-Si interface on SiO2 /(111) diamond p-MOSFETs with high mobility and excellent normally-off operation”為題發(fā)表在《Applied Surface Science》期刊上，第一作者為北京科技大學(xué)博士生朱肖華。

 

 

 

 

本文通過在(111)金剛石襯底表面沉積SiO2，在高溫還原氣體條件下構(gòu)建了金剛石-硅(C-Si)界面，制備了具有C-Si導(dǎo)電通道的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，閾值電壓高達(dá)-16 V，電流密度為-167 mA/mm，溝道空穴遷移率(μFE)達(dá)到200cm²v^-1s^-1, 界面態(tài)密度(Dit)低至3.8×10¹¹cm^-2eV^-1。通過高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)證明SiO2薄膜與(111)金剛石呈現(xiàn)連貫、平整、均勻且無應(yīng)變結(jié)構(gòu)，從而為器件提供了較高的溝道空穴遷移率和較低的界面態(tài)密度。電子能量損失譜(EELS)以及x射線光電子能譜(XPS)均證實(shí)了界面以C-Si鍵為主。這些結(jié)果表明，C-Si/SiO2界面在金剛石FETs具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

 

金剛石作為一種理想的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，被稱為終極半導(dǎo)體，是高頻大功率器件的理想材料，引起人們的廣泛關(guān)注。常規(guī)的金剛石材料屬于絕緣體, 通過硼摻雜可以實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電，然而由于硼摻雜金剛石電離能較高(0.37 eV), 在室溫下很難完全電離, 而重?fù)诫s又往往導(dǎo)致金剛石表面損傷, 半導(dǎo)體性質(zhì)下降, 因此限制了金剛石半導(dǎo)體器件的應(yīng)用發(fā)展。幸運(yùn)的是，通過表面改性手段對(duì)金剛石進(jìn)行功能化修飾，在其表面形成氫終止，氫化金剛石表面可產(chǎn)生二維空穴氣體(2DHG)，使金剛石表面近表層p型導(dǎo)電溝道特性, 使其成為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）應(yīng)用的良好選擇。

 

氧化后的金剛石表面將呈現(xiàn)高密度表面狀態(tài)，通常用于隔離襯底上的相鄰器件。氫終端(C-H)金剛石FETs憑借其載流子密度高(~10¹³ cm^-2)、工藝簡(jiǎn)單和高熱穩(wěn)定性得到廣泛的研究。但氫終端金剛石FETs的穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中仍存質(zhì)疑。此外，C-H金剛石MOSFET器件由于表面2DHG的存在通常表現(xiàn)出耗盡型特性。事實(shí)上，增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在數(shù)字集成電路和大功率電路中具有更高的安全性和更低的功耗。目前，基于氫終端金剛石實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型特性的也被廣泛報(bào)道，實(shí)現(xiàn)的方法包括表面溝道修飾，沉積具有正電荷的柵介質(zhì)，以及設(shè)計(jì)特殊的器件結(jié)構(gòu)等。然而，目前所報(bào)道的增強(qiáng)型金剛石MOSFETs的閾值電壓(Vth)和電流密度相對(duì)較低，不適合應(yīng)用于電源開關(guān)器件中。因此，將金剛石與其他材料結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高閾值電壓和高電流密度的增強(qiáng)型特性是急需解決的。金剛石-硅(C-Si)偶極子由于與C-H偶極子具有相似的電負(fù)性，同樣有望在金剛石表面產(chǎn)生2DHG。而且已經(jīng)證實(shí)氧化后的硅端金剛石表面將顯示負(fù)電子親和能。SiO2是一種理想的柵介質(zhì)，在MOS功率器件中具有高度穩(wěn)定性，以及大禁帶寬度。SiO2/金剛石制備的C-Si界面被認(rèn)為適用于高壓和高溫應(yīng)用，與C-H鍵相比，金剛石中的C與SiO2中的Si直接鍵合可以提供更可靠的穩(wěn)定性，更適合于半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用。

 

本文研究了C-Si界面(111)金剛石MOSFET的電學(xué)特性，通過高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)、電子能量損失(EELS)和x射線光電子能譜(XPS)對(duì)SiO2/(111)金剛石界面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

 

 

 

圖1：SiO2/(111)金剛石MOSFETs的示意圖。

 

 

 

 

 

 

圖4：SiO2/(111)金剛石界面的HRTEM圖。

 

圖5：(a)SiO2/(111)金剛石界面暗場(chǎng)截面STEM圖像 (b) C, Si和O元素的疊加EELS map圖 (c) (b)中黑色方框?qū)?yīng)的C, Si和O的原子百分比map圖

 

 

圖6： (a) C, Si和O元素的疊加EELS map圖 (b) Si L-edge (c) C K-edge (d) O K-edge在界面處的EELS能譜。紅色虛線圓圈包含界面區(qū)域的能譜特征。

 

 

圖7：SiO2/(111)金剛石界面的(a) C1s和(b)Si2p能級(jí)的XPS譜。彩色線代表擬合曲線。

 

 

圖8：基于Pandey鏈結(jié)構(gòu)的(111)金剛石表面重構(gòu)的C-Si模型。

 

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222009229

 

 劉金龍 北京科技大學(xué)副研究員
 

劉金龍，工學(xué)博士，北京科技大學(xué)副研究員。2007年本科畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)；2009年碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)；2014年博士畢業(yè)于北京科技大學(xué)。后留校工作于北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院至今。2017年至2018年，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者。主要致力于功能碳材料基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，研究方向包括碳材料電子器件研究，單晶金剛石的大尺寸制備和應(yīng)用，高功率電子器件熱管理材料及器件，功能薄膜、二維材料及等離子體表面改性，大面積高質(zhì)量金剛石膜的制備與應(yīng)用等。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等國(guó)家與省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，參加編著國(guó)家出版基金項(xiàng)目納米科學(xué)與技術(shù)叢書-《金剛石膜制備與應(yīng)用》一部，獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。