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摘 要

金剛石作為超寬禁帶半導體材料的代表，近年來成為大家關注的熱點。盡管在材料制備、器件研制與性能方面取得了一定進展，但半導體摻雜技術至今沒有很好解決。氫終端金剛石由于具有典型的二維空穴氣被廣泛應用于微波功率器件的研究，但其存在穩(wěn)定性不佳、界面態(tài)濃度較高等問題。相比而言，近年來出現(xiàn)的硅終端(C–Si)金剛石具有比氫終端(C–H)金剛石更低的界面態(tài)密度、更高的閾值電壓、載流子密度和穩(wěn)定性等優(yōu)點，有望解決氫終端金剛石半導體器件的問題。硅終端金剛石電子器件表現(xiàn)出高閾值電壓的增強型特性，其機制尚不明確。本文從氫終端金剛石的結構、導電機理出發(fā)，分析限制其發(fā)展的主要問題，并綜述了硅終端金剛石的導電機理、制備方法以及相應的界面結構，初步分析了硅終端MOSFETs的性能水平，最后闡述了目前硅終端金剛石發(fā)展存在的問題并展望了其發(fā)展前景。

【資料圖】

關鍵詞：硅終端金剛石、金剛石半導體、場效應管器件

研究背景

由于 C–H 偶極子的自發(fā)極化與空穴的累積相關，C–H 偶極子的電負性與 C–Si 偶極子具有相似的特性，且 C–Si 偶極子具有更大的負電子親和勢，因此可以預測 C–Si 金剛石將表現(xiàn)出 p 型導電。Schenk 等人[49]通過控制注入 O2和 H2O 分子的量以及在空氣中暴露的條件下，研究了硅(100)金剛石表面的氧化效應，發(fā)現(xiàn)硅終端表面平滑呈臺階結構，氧化表面保留了–0.26 eV 的負電子親和能，在內(nèi)部形成了空穴累積層[50]。值得關注的是，由于 SiO2是一種理想的柵介質(zhì)，金剛石中的 C 與 SiO2中的 Si 直接鍵合為金剛石 MOSFETs 提供了更可靠的性能。

圖 3 (a)不同電負性的 C-Si 和 C-H 偶極子示意圖；(b)金剛石/SiO2界面 C-Si 金剛石亞表面的空穴聚集示意圖[48]

2.3.2 C–Si 金剛石的界面分析與表征

一般認為，當形成 C–Si 金剛石時，會在金剛石末端界面形成單分子層或多分子層，類似于SiC/金剛石界面，當金剛石氫化后，金剛石的 VBM 比 SiC 高 1.5 eV 以上[51]。當電子親和力接近–0.9 eV 時[52]，SiC/金剛石界面的能帶偏移約為1.0 eV，足以在C–Si結合的金剛石亞表面積累空穴。值得注意的是，C–Si 金剛石界面不可避免的出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，換言之，我們希望在硅終端金剛石的界面形成 C–Si–O 鍵合，而避免 C–O–Si 鍵合的生成。這主要是由于 C–O 鍵會導致金剛石表面密度升高[53]，而高界面密度狀態(tài)會降低金剛石器件溝道的性能。如 SiC 半導體器件的遷移率被限制在 100 cm²·V^?1·s^?1以下[54]。界面態(tài)密度(Dit)可由以下公式算出:

其中，K、T、q、CD、Cox 分別為玻爾茲曼常數(shù)、溫度、元電荷、耗盡層電容、柵氧化物電容。深層閾下區(qū) CD可忽略，COX為平面 Al2O3/SiO2 電容器的電容，

其中：gm為溝道寬度歸一化的跨導可由線性區(qū)域的ID–VDS特性曲線導出：LG為器件的柵極長度。Fu 等[53]采用選擇氣相生長法制備了 C–Si 金剛石 MOSFETs 并對其表面的鍵合進行了分析。圖 4為制備的器件溝道區(qū) C–Si 金剛石表面的俄歇電子能譜。其將場發(fā)射俄歇微探針測得的 C–Si 金剛石表面的俄歇電子能譜(AES)結果與標準 SiC 和SiO2材料的典型 AES 數(shù)據(jù)對比。推測金剛石表面同時存在C–Si 和 O–Si 信號，由于硅譜峰更接近 SiC 的典型數(shù)據(jù)，C–Si 相關成分占主導地位。

2.4 C–Si 金剛石器件特性

目前基于 C–Si 溝道的金剛石場效應管器件均呈現(xiàn)典型的增強型特征，這主要是由于硅終端金剛石表面柵氧化物的鈍化作用所致。氧化硅基的金剛石表面具有較高的負電子親和勢，在其表面形成了較低的能帶彎曲，導致表面溝道空穴導電性的消失，進而使得閾值電壓向更負的方向偏移，獲得關斷狀態(tài)。只有當柵極偏壓增加到足夠大時，空穴才會在柵極下方聚集形成 2DHG 溝道，使其導通，表現(xiàn)出增強型半導體器件的特性。同時由表面硅自氧化生成的柵極氧化物有較好的熱穩(wěn)定性，硅終端金剛石MOSFETs 表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定的增強型器件性能。北京科技大學朱肖華 [66]制備了硼摻雜的C–Si(001)單晶金剛石 MOSFETs 并對其輸出和轉移特性曲線進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，當 VDS=–1 V 時，對應柵長的閾值電壓分別為 3.0、–7.5、–6.0、–4.5 V，且當 VDS=0~–30 V，VGS=–40~5 V 時，柵長 LG分別為 4、8、10、14 μm 的最大輸出電流密度分別為–220、–125、–86、–55 mA/mm，器件表現(xiàn)出明顯的增強型特性。

圖 6 氫終端和硅終端金剛石 MOSFETs 性能對比

為了提高硅終端金剛石場效應管器件的電流密度，北京科技大學進一步開發(fā)了硼摻雜增強溝道電流濃度，降低界面態(tài)的方法。通過利用重摻雜技術和選擇生長技術在金剛石表面制備重硼摻雜區(qū)和未摻雜區(qū)，可以在 SiO2/金剛石形成碳硅鍵的同時有效降低源漏極歐姆接觸電阻，提高硅終端金剛石器件的綜合性能，增加其輸出電流密度。再者，隨著溫度的升高和偏壓的施加，硼原子變?yōu)槭苤麟x化態(tài)，空穴載流子濃度得到增加。Zhu 等[34]利用選擇氣相沉積法制備了具有高遷移率和良好的正常關斷操作的 C–Si 界面 SiO2/(111)金剛石 MOSFETs。

通過對 C–Si 金剛石界面進行了分析發(fā)現(xiàn)，金剛石與沉積的 SiO2界面均勻平整，且呈現(xiàn)出無應變的結構特征，當 LG 為 10 μm 時，通過計算其溝道空穴遷移率(μFE)達到 200 cm²·V^?1·s^?1，界面態(tài)密度(Dit)低至 3.8×10¹¹cm^?2eV^?1。

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