砷化銦/銻化鋁金屬-氧化物-半導體高電子遷移率電晶體之發展

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電機工程學系

論文名稱

砷化銦/銻化鋁金屬-氧化物-半導體高電子遷移率電晶體之發展
(Development of InAs/AlSb Metal-Oxide-Semiconductor HEMT)

相關論文

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★ CMOS無線通訊接收端模組之設計與實現	★ 積體化微波被動元件之研製與2.4GHz射頻電路設計
★ 異質結構高速移導率電晶體模擬、製作與大訊號模型之建立	★ 氧化鋁基板微波電路積體化之2.4 GHz接收端模組研製
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摘要(中)

砷化銦/銻化鋁高電子遷移率電晶體非常適合應用於低功率、高速之電子元件。也因其材料系統的能帶為第二型能帶對齊方式且為低能隙造成二個嚴重的缺點，一個為在高閘極偏壓時會產生電洞穿遂效應。一個為在高電場下會發生衝擊離化所產生的電洞無法侷限於導通層中造成漏電流增加。因此置入一高介電係數薄膜在閘極之下以期降低漏電流。
我們先對氧化鋁薄膜進行物性及電性分析，物性包括有厚度鑑定、組成成份、表面粗糙度及熱穩定性。電性包括有不同基板的電容-電壓量測、漏電流與崩潰電場量測。此外我們將氧化鋁薄膜置入傳統的砷化銦/銻化鋁高電子遷移率電晶體磊晶層上製作出砷化銦/銻化鋁金屬-氧化物-高電子遷移率電晶體。在閘極長度為2μm的元件上汲極電流可達286 mA/mm，轉導可達495mS/mm在汲極偏壓為0.4V時，次臨界斜率可達416(mV/dec)，介面捕獲電荷密度可達1~2 1011eV-1cm-2，漏電流比傳統HEMT降低2~3個數量級且有良好的高頻特性ft，fMAX分別為10.1 GHz，19.1GHz在汲極偏壓為0.5 V時，閘極偏壓為-2.6 V時。

摘要(英)

InAs/AlSb high electron mobility transistor has great promise in high speed and low power applications. However, two drawbacks observed in the devices are closely associated with type II band line-up and small bandgap InAs channel. One is band-to-band hole tunneling; another is serious carrier impact ionization. Generated holes cannot be confined in the channel and result in serious kink and gate currents. In the thesis, we deposit a high-k Al2O3 dielectric under the gate to alleviate the gate leakage.
We first analyzed electrical and physical properties of the Al2O3 thin film. The physical properties include thin film thickness, composition, surface roughness and thermal stability. The electrical properties include C-V measurement, I-V measurement and J-E measurement. Different substrates are chosen for these characterizations. Based on the developed high-k mdielectric, we fabricated InAs/AlSb MOS-HEMTs using the conventional InAs/AlSb HEMT epitaxy materials. In a device with 2.0?m gate length, maximum drain current is 286mA/mm and peak transconductance is 495mS/mm at drain voltage of 0.4V. The subthreshold slope is 416mV/dec. The interface trap density is 1~2 1011 eV-1cm-2. The gate leakage current was suppressed at least 2~3 order compared with conventional HEMT. An fT of 10.1 GHz and an fmax of 19.9 GHz are obtained respectively at VDS = 0.5 V and VGS = - 2.6V.

關鍵字(中)

★ 砷化銦/銻化鋁
★ 金屬-氧化物-半導體高電子遷移率電晶體

關鍵字(英)

★ InAs/AlSb
★ Metal-Oxide-Semiconductor HEMT

論文目次

摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XII
第一章導論 1
1-1 研究動機 1
1-1-1 InAs/AlSb HEMT之優缺點 1
1-1-2 高介電係數材料之簡介 7
1-1-3 金屬-氧化物-半導體高電子遷移率電晶體發展現況 10
1-2 論文架構 16
第二章材料磊晶與高介電係數材料物性分析 17
2-1 前言 17
2-2 InAs/AlSb HEMT磊晶材料與結構 17
2-2-1 超薄n+-InAs摻雜之InAs/AlSb HEMT磊晶材料與結構 17
2-2-2 Te面摻雜之 InAs/AlSb HEMT磊晶材料與結構 22
2-2-3 潛通道InAs/AlSb HEMT磊晶材料與結構 24
2-3 高介電係數材料氧化鋁薄膜物性分析 28
2-3-1 高介電係數材料薄膜厚度鑑定 28
2-3-2 高介電係數材料薄膜成份分析 32
2-3-3 高介電係數材料薄膜退火後表面粗糙度分析 34
2-2-4 高介電係數材料薄膜晶體結構分析 36
第三章金屬-氧化物-半導體電容器元件發展 40
3-1 簡介 40
3-2 電容器製作流程 41
3-2-1 結構I-上、下電極之電容器 41
3-2-2 結構II-環型電容器 44
3-3 電性量測原理 46
3-4 電容器之電性量測 47
3-4-1 AlSiCu/Al2O3/Si MOS電容器之電性量測 47
3-4-2 環型砷化銦基板電容器之電性量測 54
3-5 本章總結 57
第四章金屬-氧化物-半導體HEMT 電晶體元件發展 59
4-1 簡介 59
4-2 MOS-HEMT之製程發展 59
4-2-1 結構I-全面性覆蓋氧化鋁當作鈍化層與介電層 61
4-2-2 結構II-只有閘極區域有介電層 65
4-3 Metal-Oxide-Semiconductor HEMT元件特性 68
4-3-1 EPI277 Metal-Oxide-Semiconductor HEMT元件特性 68
4-3-2 EPI309 Metal-Oxide-Semiconductor HEMT元件特性 76
4-3-3 EPI335Metal-Oxide-Semiconductor HEMT 元件特性 82
4-4 Metal-Oxide-Semiconductor HEMT與傳統HEMT特性討論 87
4-5 總結 92
第五章結論與未來發展 93
參考文獻 97
附錄1 上、下電極電容器 100
附錄2 環型電極電容器 103
附錄3 結構I-氧化鋁當做鈍化層及閘極介電層 107
附錄4 結構II-只有閘極區域有氧化鋁薄膜 112
圖1- 1 III-V族材料能隙圖 2
圖1- 2直流與高頻特性曲線 3
圖1- 3 砷化銦/銻化鋁量子井結構能帶圖 5
圖1- 4衝擊離化示意圖 5
圖1- 5元件特性曲線圖 6
圖1- 6四端點元件量測與結果 6
圖1- 7 Al(Sb,As) 和 AlSb 不同阻障層閘極特性比較 7
圖1- 8 高介電係數材料特性圖 9
圖1- 9 InSb-MOSHEMT元件結構圖(Intel) 11
圖1- 10 閘極金屬與氧化鋁介電層/閘極金屬漏電流比較 11
圖1- 11 GaN MOSHEMT元件結構圖 12
圖1- 12 GaN MOS-HEMT 直流特性 13
圖1- 13 以砷化銦鎵為導通層的MOS-HEMT直流特性 15
圖2- 1 EPI277能帶分佈曲線 19
圖2- 2 原子力顯微鏡結構圖 20
圖2- 3 EPI227表面粗糙度分析圖 21
圖2- 4 EPI309能帶分佈曲線 23
圖2- 5 EPI309表面粗糙度分析圖 24
圖2- 6 EPI335能帶分佈曲線 26
圖2- 7 EPI335表面粗糙度分析 27
圖2- 8 表面通道與潛通道示意機構 27
圖2- 9 穿透式電子顯微鏡儀器構造 29
圖2- 10 氧化鋁薄膜厚度100nm之SEM照片 30
圖2- 11 氧化鋁薄膜厚度10nm之TEM照片 31
圖2- 12 氧化鋁薄膜厚度3nm之TEM照片 31
圖2- 13 電子束撞擊試片的能量分佈圖 33
圖2- 14 X-ray訊號產生方式 33
圖2- 15氧氣流量與氧化鋁薄膜中氧原子比例圖 34
圖2- 16 不同溫度下氧化鋁薄膜表面粗糙度分析 35
圖2- 17 退火溫度與表面粗糙度關係圖 36
圖2- 18 布拉格繞射示意圖 37
圖2- 19 XRD量測示意圖 38
圖2- 20 不同溫度下氧化鋁薄膜XRD分析 39
圖3- 1 上、下電極(矽製程)流程圖 42
圖3- 2上、下電極(III-V製程)流程圖 43
圖3- 3歐姆接觸製程示意圖 44
圖3- 4元件隔離製程示意圖 45
圖3- 5閘極介電層與閘極金屬製程示意圖 45
圖3- 6 電容-電壓量測小訊號等效電路 47
圖3- 7 矽基板矽製程退火前後電壓-電流特性曲線 49
圖3- 8矽基板矽製程退火前後電場-電流密度特性曲線 50
圖3- 9矽基板矽製程退火前電容-電壓特性曲線 50
圖3- 10矽基板矽製程退火後電容-電壓特性曲線 51
圖3- 11電容-電壓曲線與介面捕獲電荷密度關系圖 51
圖3- 12矽基板III-V製程電壓-電流特性曲線 53
圖3- 13矽基板III-V製程電場-電流密度特性曲線 53
圖3- 14 矽基板III-V製程電容-電壓特性曲線 54
圖3- 15 不同表面處理之砷化銦基板電容器電壓-電流特性曲線 55
圖3- 16不同表面處理之砷化銦基板電容器電場-電流密度特性曲線 56
圖3- 17 沒有表面處理之砷化銦基板電容器退火前後電容-電壓曲線 56
圖3- 18稀釋鹽酸處理之砷化銦基板電容器退火前後電容-電壓曲線 57
圖4- 1砷化銦/銻化鋁金屬-氧化物-高遷移率電晶體元件佈局設計圖 60
圖4- 2 金屬-氧化物-高遷移率電晶體元件結構圖 60
圖4- 3 歐姆接觸製程示意圖 62
圖4- 4 元件隔離製程示意圖 62
圖4- 5 第一次鈍化層製程示意圖 63
圖4- 6 閘極金屬製程示意圖 63
圖4- 7 開洞製程示意圖 64
圖4- 8 拉線金屬製程示意圖 64
圖4- 9歐姆接觸製程示意圖 66
圖4- 10 元件隔離製程示意圖 66
圖4- 11第一次鈍化層製程示意圖 67
圖4- 12 閘極電介層與閘極金屬製程示意圖 67
圖4- 13 拉線金屬示意圖 68
圖4- 14 EPI277 MOS-HEMT元件結構圖 69
圖4- 15 EPI277 MOS-HMET能帶分佈曲線 69
圖4- 16 EPI227 MOS-HEMT元件汲極電流-汲極電壓特性曲線 71
圖4- 17 EPI227 MOS-HEMT元件電流與元件轉導特性曲線 72
圖4- 18 HEMT等效電路 72
圖4- 19 EPI227 MOS-HEMT閘極電壓-載子濃度關係曲線 73
圖4- 20 EPI227 MOS-HEMT元件閘極電流-汲極電壓特性曲線 73
圖4- 21 EPI227 MOS-HEMT元件閘極電流-閘極電壓特性曲線 74
圖4- 22 EPI277 MOS-HEMT元件次臨界斜率與輸出轉導關係圖 75
圖4- 23 EPI277 MOS-HEMT元件高頻量測 76
圖4- 24 EPI309 MOS-HEMT元件結構圖 77
圖4- 25 EPI309 MOS-HEMT能帶分佈曲線 77
圖4- 26 EPI309 MOS-HEMT元件汲極電流-汲極電壓特性曲線 78
圖4- 27 EPI309 MOS-HEMT元件汲極電流與元件轉導特性曲線 79
圖4- 28 EPI309 MOS-HEMT閘極電壓-載子濃度關係曲線 79
圖4- 29 EPI309 MOS-HEMT元件汲極電流-閘極電壓特性曲線 80
圖4- 30 EPI309 MOS-HEMT不同汲極電壓下次臨界斜率特性曲線 81
圖4- 31 EPI309元件電容-電壓與介面捕獲電荷密度關係曲線 82
圖4- 32 EPI309 MOS-HEMT元件高頻曲線 82
圖4- 33 EPI335元件結構圖 83
圖4- 34 能帶模擬曲線 84
圖4- 35 EPI335 MOS-HEMT元件汲極電流-汲極電壓特性曲線 85
圖4- 36 EPI335 MOS-HEMT元件閘極電流-汲極電壓特性曲線 85
圖4- 37 EPI335 MOS-HEMT元件汲極、源極、閘極電流-閘極電壓特 86
圖4- 38 EPI335MOS-HEMT元件汲極與(源極閘極)電流-閘極電壓特性曲線 86
圖4- 39 EPI277HEMT元件汲極電流-汲極電壓特性曲線 88
圖4- 40 EPI277HEMT元件汲極電流與元件轉導特性曲線 88
圖4- 41 EPI277HEMT元件閘極電流-汲極電壓特性曲線 89
圖4- 42 EPI277HEMT元件閘極電流-閘極電壓特性曲線 89
圖4- 43 傳統HEMT與MOS- HEMT直流行為比較 90
圖4- 44傳統HEMT與MOS-HEMT次臨界斜率比較 91
表1- 1 不同材料系統之HEMT特性比較 3
表2- 1 EPI277磊晶結構 21
表2- 2 EPI309磊晶結構 23
表2- 3 EPI335磊晶結構 26

參考文獻

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指導教授

林恒光、詹益仁
(Heng-Kuang Lin、Yi-Jen Chan)

審核日期

2009-7-21

推文