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快速熱處理RTP在β-Ga2O3 MESFET器件中的應(yīng)用
- 分類: 行業(yè)知識
- 作者:周酉林
- 來源:本站
- 發(fā)布時(shí)間:2024-05-23
- 訪問量: 476
【概要描述】β型氧化鎵(β-Ga?O?),是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料,其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度(約4.4~···
快速熱處理RTP在β-Ga2O3 MESFET器件中的應(yīng)用
【概要描述】β型氧化鎵(β-Ga?O?),是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料,其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度(約4.4~···
- 分類: 行業(yè)知識
- 作者:周酉林
- 來源:本站
- 發(fā)布時(shí)間:2024-05-23
- 訪問量: 476
β型氧化鎵(β-Ga?O?),是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料,其最顯著的特征是具有超寬的禁帶寬度(約4.4~4.9 eV),還具有較高的擊穿電場強(qiáng)度、較低的介電常數(shù)以及出色的熱導(dǎo)率[1],這些特性使得它在制造高性能電子器件[2]方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。高溫電子器件在各種應(yīng)用中至關(guān)重要,需要克服主動冷卻系統(tǒng)可用性、尺寸、重量、功耗和成本等問題。傳統(tǒng)的基于Si的技術(shù)可以在溫度高達(dá)200°C時(shí)運(yùn)行,超過該溫度,材料的內(nèi)在載流子濃度會降低其調(diào)制能力。Islam 等人[3]利用使用β-Ga2O3制造了金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET),并實(shí)現(xiàn)了在500℃下的運(yùn)行,表現(xiàn)出其在真空下高溫的穩(wěn)定性,并給后續(xù)選擇適當(dāng)?shù)慕饘俸徒橘|(zhì)在更高的溫度下工作提供了很好的基礎(chǔ)。
圖1 MESFET器件結(jié)構(gòu)示意圖和制備流程
圖1展示了MESFET器件的結(jié)構(gòu)示意圖,同時(shí)詳細(xì)描述了器件的制備過程。首先,采用MOVPE方法生長了Si-doped β-Ga2O3通道材料。接著,通過ICP和ALD/PECVD等工藝流程完成了器件的制備。源/漏區(qū)域則通過Si摻雜,并在900°C的N2環(huán)境中進(jìn)行20min的退火以激活摻雜原子(RTP,900℃@20min,N2)。之后,刻蝕出源/漏區(qū)域,并用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au,隨后在N2環(huán)境中進(jìn)行470℃的快速熱處理1分鐘,獲得歐姆接觸(RTP,470℃@1min,N2)。最后,通過Ni/Au連接完成了器件的制備。
圖2 室溫下MESFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性
圖2展示了室溫下器件的轉(zhuǎn)移特性IG vs VGS和輸出特性ID vs VDS的測量結(jié)果。根據(jù)圖2(a)中的轉(zhuǎn)移特性,我們計(jì)算出任何VDS上的最大到最小漏極電流比(IMAX/IMIN)大于104,低場場效應(yīng)遷移率(μleff)為23 cm2/V·s,閾值電壓(VT)從最大跨導(dǎo)(gm)點(diǎn)線性外推得到,約為2.5 V。此外,從轉(zhuǎn)移曲線中提取出源極誘導(dǎo)勢壘降低(DIBL)為143 mV/V。圖2(b)中的輸出特性顯示,在VDS接近0時(shí),ID–VDS曲線的斜率倒數(shù)(即Ron)為88 Ω·mm。然而,這些器件的最大電流比值受到高柵極泄漏限制,柵極泄漏電流主要流向源極,從觀察到的ID 、 IG在VGS接近-8 V時(shí)可以明顯看出。這種大的柵極泄漏也增加了這些器件中測量的亞閾值斜率(SS)。
圖3 變溫下MESFET的半導(dǎo)體電學(xué)特性
圖3展示了在不同溫度下使用半導(dǎo)體設(shè)備分析儀測量設(shè)備的結(jié)果。隨著溫度從40到500攝氏度增加,設(shè)備在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,在一定的溫度下進(jìn)行測試。在真空中測量了不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性圖。隨著溫度的升高,IMAX從1.3mA/mm減少到1.1mA/mm,這是由于載流子遷移率降低和柵極泄漏增加。溫度對VT的影響表明,在高溫度下電子從一些深能級陷阱中逃逸出來。此外,我們還測量了不同溫度下的gm vs VGS特性,顯示了一個(gè)平臺和一個(gè)隨VGS增加而增加的gm,表明設(shè)備中存在雙通道。由于器件中存在大量深能級缺陷,大部分電流通過深通道傳導(dǎo)。隨著溫度升高,深通道厚度增加,gm vs VGS特性中的平臺寬度增加。最后,我們繪制了不同溫度下測量的gm平均值的虛線部分,表明在高溫度下載流子遷移率降低了約50%。
圖4 變溫下MESFET的輸出特性
圖4展示了輸出特性隨溫度變化的情況。隨著溫度的升高,漏極電流ID增加,亞閾值斜率增大。這些變化可能是由于深阱陷阱中的電子解離導(dǎo)致的。此外,圖4還顯示了在500℃下,經(jīng)過1小時(shí)的測試后,ID略有增加,這表明在500℃下,該器件可以恢復(fù)其室溫電學(xué)性能。
β-Ga2O3 MESFET具有的優(yōu)異的半導(dǎo)體及器件性能也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn),RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品,在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢,形成鮮明的行業(yè)競爭力,為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、高穩(wěn)定性的、高均勻性的高溫場和氣氛保護(hù)或反應(yīng)氣體,具體表現(xiàn)在:
√ 高溫場能夠促進(jìn)原子運(yùn)動,進(jìn)行晶格修復(fù),并激活雜原子;
√ 快速升溫的高溫場能夠促進(jìn)金屬層/Ga2O3的熱擴(kuò)散,獲得更低的接觸電阻,形成歐姆接觸;
√ 保護(hù)氣氛有助于避免金屬電極的高溫氧化,降低表面電阻率,避免出現(xiàn)雜相或者副反應(yīng)。
此外,嘉儀通快速退火爐(RTP,Rapid Thermal Processing)產(chǎn)品,采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對薄膜材料的快速升溫和降溫,同時(shí)搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng),可達(dá)到極佳的溫場均勻性和穩(wěn)定性。
嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品,對材料的金屬合金化、離子注入后退火、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。
參考文獻(xiàn):
[1] Bae H, Park T J, Noh J, et al. First demonstration of robust tri-gate β-Ga2O3 nano-membrane field-effect transistors[J]. Nanotechnology, 2021, 33(12): 125201.
[2] Green A J, Speck J, Xing G, et al. β-Gallium oxide power electronics[J]. Apl Materials, 2022, 10(2).
[3] Islam A E, Sepelak N P, Liddy K J, et al. 500° C operation of β-Ga2O3 field-effect transistors[J]. Applied Physics Letters, 2022, 121(24).
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