A Novel Strain Method for Enhancement of 90-nm Node and Beyond FUSI-Gated CMOS Performance

图 3 1 mm 栅宽 SiC SI T 的 ( a) 转移特性和 ( b ) 击穿特性 Fig . 3 ( a) T r ansfer character istics and ( b ) breakdow n char acter istics for 1 mm wide SiC SIT
线 , 测试中所采用的器件栅宽都为 1 mm 。在漏电压 40 V, 栅压为 0 V 时 , 器件的饱和漏 电流 I dss 为 90 mA / m m , 夹断电压在 - 10 V , 在漏电压20 V 时最大 跨导为 13 mS/ m m, 跨导偏小, 主要是由于材料和结 构 设计问题 , 需要进一步进行优化 ; 击穿电压在 251 V , 此时的夹断电压为- 28 V , 漏电流为 0. 3 m A , 显 示出了良好的击穿特性。 2. 2 微波特性 采用高压脉冲测试电源 , 对装配在 CuW 金属管 壳内的多胞 SiC SIT 进行了微波功率特性测试, 图 4 为装配 到金属管壳内的 SiC SIT 管子示意图 , 图 5 给出了栅宽为 28 cm 的 SiC SIT 在 500 MH z、 工作电 压 V DS = 90 V 时的输出功率P out 、 功率增益Gain 随输 入 功率 P in 的变化 , 当 P in 为 40 W 时, 输出功率 550 W, 输出功率密度 19. 6 W / cm , 功率增益 11. 3 dB 。 在 脉冲微波测试中, 由于脉冲 I -V 处理装置的限制 , 暂 采用了脉宽 100 Ls, 占空比 1% 的脉冲条件, 工作电 流测量不准, 无法准确得到器件的效率。 由于管芯设 计时单指栅宽 100 L m 偏大, 所以单胞内发热问题也 会影响长脉冲测试的结果 , 所以一方面对脉冲 I -V 处理装置进行改造, 从而在脉宽 300 Ls, 10% 占空比 的脉冲条件下得到有效测试结果 , 获得器件的功率 附加效率及漏效率; 另一方面优化版图设计, 缩短单 指栅宽, 降低单胞内部热问题 , 提高器件mm SiC SIT 的转移特性和击穿特性曲

典 型 考 题 ：２ ０ （ ０ ７年 北 京 瑾 综 第 ２ ６题 ） 周 期 元 短
素 的 单 质 ｘ、 、 在 通 常 状 况 下 均 为 气 态 ， 有 下 列 Ｙ ｚ 并 转 化 关 系 （ 应 条 件 略 去 ） 反 ：
已 知 ：ａ 常 见 双 原 子 单 质 分 子 中 ， 分 子 含 共 价 ． Ｘ
种 投 料 方 式 相 等 即 可 达 到 等 效 平 衡 若 － 不 等 于 ３ ｚ ， 则 须 满 足 第 ２种 投 料 方 式 通 过 可 逆 反 应 的 化 学 汁 量 数 比换 算 成 平 衡 式 左 右 两 边 同 一 边 物 质 的 物 质 的 量 与 第 １种 投 料 方 式 完 全 相 等 ， 能 使 二 平 衡 等 效 。 才
人 人 好 公 ， 天 下 太平 ； 人 营私 ， 天 下 大 乱 ． 则 人 则 一
Ｈ Ｃｉ 、Ｈ ２ Ｓ、 ＰＨ ３ Ｓｉ ４ Ｆ２ Ｈ ２ 、 Ｃ２ ６、ＣＨ ３ Ｈ 、 、 ｌ 、 、 Ｏ２ Ｈ Ｏ
小 ， 到 平 衡 状 态 时 转 化 为 状 态 丙 ． 设 乙 中 的 活 塞 达 假 不 移 动 由 于 甲 、 ２ 个 容 器 的 体 积 、 度 相 同 ， 到 乙 温 达 平 衡 时 甲 、 两 容 器 中 存 在 的 平 衡 是 等 效 平 衡 ， 中 乙 其 Ｓ Ｏ 的 转 化 率 也 相 等 ． 于 乙 和 丙 ２ 个 状 态 ， 中 压 对 乙 强小 于丙 中压强 ， 此丙 中 Ｓ 因 Ｏ 转 化 率 大 于 乙 中 Ｓ Ｏｚ
键 最 多
ｂ 甲分 子 中含 有 １ 个电子 ， 分 子 含 有 １ ． ０ 乙 ８个 电 子 。
（ ） 的 电子 式 是 １Ｘ ．
（） 验室 可用 下 图所示装 置 （ 少 收集 装 置 ， ２实 缺 夹

第51卷第12期2022年12月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.12December,2022简㊀㊀讯中国电科46所取得高质量AlN 单晶制备技术新突破氮化铝(AlN)晶体属于超宽禁带半导体材料,具有诸多优异的物理性能,是新一代高性能微波功率器件及紫外光电器件的理想衬底材料㊂AlN 单晶衬底及其相关器件一直是超宽禁带半导体领域的研究热点㊂AlN 晶体为六方纤锌矿结构,且具有很强的各向异性㊂在物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法生长过程中,不同取向生长表面的表面能及生长速率差异很大,理想工艺条件下制备的晶体轮廓通常由(00.ʃ1)面㊁(10.n )面和(10.0)面等几个低指数晶面合围而成,晶体头部呈规则的六棱台形状㊂此外,晶体内部也不存在由小角晶界构成的 胞状结构(cellular geometry)㊂这些都是高质量AlN 晶体的重要特征㊂国内相关研究起步较晚,生长的晶锭大多为高度旋转对称的圆柱体或圆锥体,头部为弧面或锥面,这种晶锭图1㊀高质量AlN 晶体头部及其表面形貌㊂(a)晶体头部照片;(b)㊁(c)原子力显微镜下表面微观形貌图2㊀头部晶片的XRD 摇摆曲线㊂(a)某点(00.2)面的XRD 摇摆曲线;(b)某17mm ˑ17mm 区域(00.2)面的XRD FWHM 分布;(c)某点(10.2)面上的XRD 摇摆曲线;(d)某17mm ˑ17mm 区域(10.2)面的XRD FWHM 分布2178㊀简㊀㊀讯人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷内部通常存在较多的晶界或小角度晶界㊂中国电子科技集团公司第四十六研究所(简称中国电科46所)近年来在高质量AlN 籽晶培育㊁传热传质动态控制㊁长时间稳定生长等方面取得了重要突破,生长的AlN 单晶结晶质量得到了大幅度提升㊂AlN 晶体外廓由少数几个低指数晶面合围而成,晶体头部为规则的六棱台形状(见图1(a)),生长面为光滑平整的(00.1)面㊂原子力显微镜下的表面微观形貌观测结果显示,晶片表面的台阶流规整有序,未发现明显的台阶簇,更不存在晶界或亚晶界(见图1(b)㊁(c))㊂由图1(c)还可发现,在{10.n }面交汇处不同取向的台阶流呈120ʎ夹角,反映出高质量的台阶流生长模式㊂该晶片XRD 摇摆曲线五点测试结果如图2所示,其(00.2)面及(10.2)面XRD 半峰全宽(full width at half maximum,FWHM)均低于100ᵡ,反映出晶体较高的结晶质量及均匀性㊂目前,中国电科46所可以稳定制备1英寸及2英寸高质量AlN 单晶衬底(见图3),同时也在积极探索更大尺寸单晶的生长工艺㊂图3㊀高质量AlN 单晶片㊂(a)1英寸晶片;(b)2英寸晶片(中国电科46所供稿)。

中国科学 E辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期 : 119 ~ 123 119《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析郝跃 , 王冲 *, 倪金玉 , 冯倩 , 张进城 , 毛维西安电子科技大学微电子研究所 , 宽禁带半导体材料与器件重点实验室 , 西安710071 * 联系人 , E-mail: wangchong197810@ 收稿日期 : 2007-11-15; 接受日期 : 2008-03-20 国家自然科学基金资助项目 (批准号 : 60736033摘要成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型 AlGaN/GaN HEMT. 栅长 1µm, 源漏间距 4 µm, 槽深 10 nm的器件在 1.5 V栅压下饱和电流达到 233mA/mm, 最大跨导 210 mS/mm, 阈值电压为 0.12 V, 器件在 500℃ N2气氛中 5 min 退火后阈值电压提高到 0.53 V. 深入研究发现 , 当器件槽深 15 nm时 , 相比槽深 10 nm器件饱和电流和跨导有所减小 , 但阈值电压从 0.12 V提高到 0.47 V. 利用不同刻蚀深度 AlGaN/GaN异质结的 C -V 特性 , 深入研究了阈值电压、栅控能力与刻蚀深度的关系 .关键词增强型高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN 槽栅阈值电压AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管 (HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出得天独厚的优势[1~2], 追求器件高频率、高压、高功率特性吸引了众多人进行研究 . 近年来 , 由于高压开关和高速电路的驱动 , GaN增强型器件成为关注的又一研究热点 . 由于 AlGaN/GaN异质结生长完成后 , 异质结界面就存在大量二维电子气 (2DEG, 当材料制作成器件加负栅压后才能将2DEG 耗尽而使沟道夹断 , 即常规 AlGaN/GaN HEMT为耗尽型器件 . 但在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件 , 确保只加正栅压才有工作电流 . Lanford等人 [3]采用刻蚀掉 AlGaN/GaN异质结的一部分 AlGaN 层制作槽栅结构 , 利用肖特基结对 2DEG 的耗尽作用来实现增强型器件 ; Wang等人 [4]采用对栅区域注入 F 离子的方法也实现了增强型器件 ; Liu等人 [5]采用AlInGaN/GaN异质结也实现了非槽栅的增强型器件 . 本文报道了成功研制的新型槽栅增强型 AlGaN/GaN HEMT特性 , 并分析了栅槽的深度和高温退火对器件特性的影响 .1 增强型器件的实现采用 MOCVD 方法在蓝宝石衬底基片 (0001面上外延生长了 AlGaN/GaN异质结 . 蓝宝石衬底厚度为 330 µm, 材料层结构由下而上依次为 : 3 µm 未掺杂 GaN 外延层 ; 5 nm未掺杂 AlGaN 隔离层 ; 12 nm Si掺杂 AlGaN 层 (Si掺杂浓度 2×1018 cm −3; 5 nm未掺杂 AlGaN 帽层 . PL谱测量后计算得到的 AlGaN 层 Al 组份为27%(Al0.27Ga 0.73N. Hall效应测量显示 , 室温下蓝宝石衬底上生长的材料的2DEG 电子迁移率 µn 和面密度 N s 分别为 1267 cm2/Vs和1.12×1013 cm −2. 研制的增强型 HEMT 的材料结构如图 1所示 , 它的材料结构与耗尽型结构是完全兼容的 .器件台面隔离采用 ICP 干法刻蚀 , 刻蚀深度为150 nm, 刻蚀速率为 100 nm/min; 源漏欧姆接触采用 Ti/Al/Ni/Au(30/180/40/60 nm850℃ N 2中退火 . 在做好栅掩模后采用 ICP 干法刻蚀栅槽 , 选择了 10和 15nm 两个栅槽深度 , 刻蚀速率为 0.1 nm/s, 刻蚀偏压为50 V. 做完栅槽刻蚀后立即进行栅金属蒸发 , 栅金属郝跃等 : 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析120图 1 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 结构图采用 Ni/Au(30/200 nm. 制备的 AlGaN/ GaNHEMT栅长为 1 µm, 栅宽为 100 µm, 源漏间距为 4 µm, 栅处于源漏间正中央 . 肖特基 C -V 测试结构内外环直径分别为 120和 200 µm, TLM结构宽度为 100 µm, 两测试结构都与 HEMT 在同一片材料上制作 , 并规则的分布于器件周围 , TLM计算得到接触电阻 Rc 为 0.63 Ω ·mm, 比接触电阻1.2×10−5 Ω ·cm 2. 使用 HP4156B 精密半导体参数测试仪测试了器件直流特性 , C -V 测试采用 Keithley 590 C -V 分析仪进行 .2 结果和讨论在漏偏置电压为 5 V下 , 我们对未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10和 15 nm的增强型HEMT 进行了转移特性测试 , 如图 2所示 . 从图 2可以明显的看出器件在刻蚀栅槽后阈值电压向正方向移动 , 未刻蚀栅槽时阈值电压为−2.2 V, 在刻蚀栅槽为10 nm时阈值电压为 0.12 V, 在刻蚀栅槽为 15 nm时阈值电压为 0.47 V. 刻蚀栅槽后 , 由于 AlGaN 层的厚度减薄 , AlGaN/GaN异质结界面 2DEG 更容易受到肖特基势垒耗尽作用的影响 ; 刻蚀过程中可能引入表面损伤 , 引起负电荷聚集效应 . 这些因素都会引起饱和电流下降 , 阈值电压正移 . 所以栅压为 1.5 V时未刻蚀栅槽的器件饱和电流为 535 mA/mm, 而刻蚀栅槽 10和 15 nm 后饱和电流分别减小到 233和 145 mA/mm.图 3为未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10 nm和 15 nm的增强型HEMT 最大跨导对比 , 漏偏压为 5 V. 槽深为 10 nm的增强型 HEMT 最大跨导图 2 不同刻蚀深度的器件转移特性对比图 3 不同刻蚀深度的器件跨导对比达到 210 mS/mm, 而未刻蚀栅槽的器件最大跨导为 171 mS/mm, 槽深 15 nm的器件最大跨导为 162 mS/ mm. 器件刻槽后 AlGaN 层减薄 , 这使得栅对沟道载流子的控制能力增强 , 所以槽深 10 nm的器件跨导有所提高 , 但当槽深较大后 AlGaN层过薄 , 沟道载流子迁移率更容易受到等离子体刻蚀的影响 , 所以槽深 15 nm的器件跨导没有进一步增大 . 控制等离子体的刻蚀损伤对器件特性的提高至关重要 .图 4给出了未刻蚀栅槽的耗尽型 HEMT 与槽深分别为 10和 15 nm的增强型HEMT 栅反向泄漏电流的对比 . 当栅区域的 AlGaN 层被 ICP 刻蚀中的离子轰击后 , 表面会产生一定的刻蚀损伤 , N空位的增加 [6]中国科学 E 辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期121和表面缺陷的增多都会造成肖特基泄漏电流的增大 .而且刻蚀后的器件栅都制作在 Si 掺杂 AlGaN 的层上 , 掺杂导致的电子遂穿效应 [7]也增大了肖特基泄漏电流 . 减小肖特基泄漏电流 , 需要进一步降低刻蚀自偏压 , 并将肖特基栅制作在未掺杂的 AlGaN 上 . 图 5为槽深10 nm增强型 HEMT 输出特性.图 4 不同刻蚀深度的器件栅泄漏电流对比图 5 槽深 10 nm增强型 HEMT 输出特性进一步研究在退火条件下 , 增强型 HEMT 特性的变化 , 这是一个十分关注的问题 [8~10]. 对槽深 10 nm 增强型 HEMT 进行了 500℃下 N 2气氛退火 5 min, 退火前后的转移特性和跨导曲线如图 6和 7所示 . 退火后槽深 10 nm增强型 HEMT 在1.5 V栅压下的饱和电流下降了 25.9%, 最大跨导仅下降 6.5%, 但阈值电压从 0.12 V提高到 0.53 V. 器件退火后饱和电流下降是由于高温退火后肖特基势垒高度提高从而影响到 2DEG 密度 . 2DEG密度与肖特基势垒高度关系可以表示为22012/(/( ( ,D pol B D i Ns q dq q ΦEc N d d d σεε=−−∆+−(1其中 Ns 2D 为 2DEG 密度, σpol 为极化电荷 , q 为电子电量, ε0和ε 分别为空气和 AlGaN 的介电常数, q ΦB 为肖特基势垒高度, ∆ E C 为导带不连续性 , N D 为AlGaN 掺杂浓度 , d 和 d i 分别为 AlGaN 层总厚度和空间隔离层的厚度 . 从 (1式看出 , 提高的势垒高度减小了 2DEG 密度 , 所以造成器件饱和电流的下降 . 器件退火后阈值电压向正方向移动也是同样的原因引起 . 阈值电压图 6 槽深为 10 nm器件退火前后转移特性对比图 7 槽深为 10 nm器件退火前后跨导对比郝跃等 : 增强型 AlGaN/GaN槽栅 HEMT 研制与特性分析122V T 与势垒高度的关系又可以表示为20101( . 2polC D i T B E qN d d V Φd q σεεεε∆−=−−− (2当肖特基势垒升高 , 栅对 2DEG 的耗尽作用增强 , 使器件阈值电压向正方向移动 .进一步 , 利用 C -V 的测试研究不同刻蚀条件的AlGaN/GaN异质结载流子分布和耗尽电压的变化 .在频率为 1 MHz下进行 C -V 测试 . 从图 8可以看出 , 未刻蚀的材料耗尽电压为−2.3 V, 与耗尽型器件的阈值电压相近 ; 而刻蚀 10 nm的材料 C -V 耗尽电压向正向移动到了 0 V附近 , 刻蚀 15 nm的材料 C -V 电容在偏压为 0.3 V时还没有明显的电容平台 , C -V 耗尽电压的测试结果也对应了不同槽深的增强型 AlGaN/GaN HEMT的阈值电压 . 当 C -V 的测试电压大于 0.5 V 后 , 由于肖特基正偏电流的问题 , C -V 测试结果会出现由于等效模型计算而造成的异常 , 所以图 8中仅显示了正偏电压小于 0.5 V的曲线 . 从图 8中可以看图 8 不同刻蚀深度异质结材料肖特基 C -V 特性对比出未刻蚀的材料 C -V 电容最大为 67 pF, 而刻蚀 10 nm的材料 C -V 电容最大达到 116 pF, 刻蚀 15 nm的材料 C -V 电容在偏压为正后还没有明显电容平台 . 当 C -V 测试正偏电压接近 0.5 V后 , 槽深 15 nm的器件由于肖特基正偏漏电较大造成 C -V 测试等效模型计算不准确 , 而且半导体中刻蚀引起的缺陷态浓度过高会导致载流子跟不上 C -V 测试的频率 , 这两个因素都可能造成槽深 15 nm的 C -V 曲线没有出现电容平台 . 异质结 C -V 电容越大反映出肖特基结对载流子的控制能力越强 . 刻蚀 10 nm的材料 C -V 电容峰值比未刻蚀材料的 C -V 电容峰值大将近一倍 , 但从制作出的器件最大跨导值的对比却远未到一倍 , 这说明器件的欧姆接触电阻影响了 10 nm槽深增强型 HEMT 跨导更进一步提高的空间 , 而我们用 C -V 电容峰值比较仅能得到本征跨导间的对应关系 .3 结论采用槽栅结构实现了饱和电流 233 mA/mm, 最大跨导 210 mS/mm, 阈值电压为0.12 V的增强型 AlGaN/GaN HEMT, 并实现了退火后阈值电压为 0.53 V(该电压已经能够适用于开关器件和高速数字器件 .重点研究了不同的槽深对增强型 AlGaN/GaN HEMT特性的影响 , 当槽深增大时阈值电压明显增大 , 但 AlGaN 层过薄时饱和电流下降较为明显 , 这就需要对器件阈值电压和饱和电流进行折中考虑 , 选择最佳栅槽深度 , 使在提高阈值电压的同时保证器件的电流和跨导受到较小影响 . 退火过程中栅肖特基势垒高度得到提高 , 而提高的肖特基势垒高度对沟道的 2DEG 有明显耗尽作用 , 这是引起器件饱和电流下降及阈值电压增大的主要原因 .参考文献1 Kumar V, Lu W, Schwindt R, et al. AlGaN/GaNHEMTs on SiC with f T over 120 GHz. IEEE Electron Device Lett, 2002, 23(8: 455―4572 Koudymov A, Wang C X, Adivarahan V, et al. Power stability ofAlGaN/GaNHFETs at 20 W/mm in the pinched-off operation mode. IEEE Electron Device Lett, 2007, 28(1: 5―83 Lanford W B, Tanaka T, Otoki Y, et al. Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage. Electron Lett, 2005, 41(7: 449―4504Wang R N, Cai Y, Tang W, et al. Planar integration of E/D-Mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment. IEEE Electron Device Lett, 2006, 27(8: 633―635中国科学 E 辑 : 技术科学 2009年第 39卷第 1期1235 Liu Y, Egawa T, Jiang H. Enhancement-mode quaternary AlInGaN/GaN HEMT with non-recessed-gate on sapphire substrate. Elec-tron Lett, 2006, 42(15: 884―8856 Shul R J, Zhang L, Baca A G, et al. Inductively coupled high-density plasma-induced etch damage of GaN MESFETs. Solid-State Electron, 2001, 45 (1: 13―167 Zhang H, Miller E J, Yu E T. Analysis of leakage current mechanisms in Schottky contacts to GaN and Al0.25Ga 0.75N/GaN grown by molecular-beam epitaxy. J Appl Phys, 2006, 99(2: 023703-1―023703-58 Takuma N, Naruhisa M, Toshiyuki O, et al. Improvement of DC and RF characteristics of AlGaN/GaN high electron mobility tran-sistors by thermally annealed Ni/Pt/Au schottky gate. Jpn J Appl Phys, 2004, 43(4B: 1925―19299 Ambacher O, Smart J, Shealy R, et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-faceAlGaN/GaNheterostructures. J Appl Phys, 1999, 85(6: 3222―322910Drozdovski N V, Caverly R H. GaN-based high electron-mobility transistors for microwave and RF control applications. IEEE Mi-crowave Theory Techs, 2002, 50(1: 4―82009低碳技术国际学术会议征稿通知时间地点 : 2009年 9月 15~18日 , 北京网址 : 会议主席 : 徐建中院士 (中国合作主席 : 佐藤幹夫博士 (日本송진수博士 (韩国主办单位 :中国工程热物理学会日本机械工程学会能源系统分会韩国新能源和可再生能源学会会议主题大气中二氧化碳含量的提高造成全球气候变暖 , 导致干旱、海平面上升和更多的灾害 . 低碳技术可以防止灾难性的气候变化 , 并可以减少全球有限能源的消耗率 . 低碳经济和绿色能源的发展不但可以保护环境 , 还可以造成新的经济增长 .征文内容(1 制造业、农业、交通、工业过程和能源开发等各方面的高效节能技术 .(2 二氧化碳减排技术 , 包括清洁煤燃烧 , 低排量烃燃料、氢和混合燃料动力技术 , 以及碳捕获和存储技术 .(3 新能源和可再生能源技术 , 例如 : 生物质能、地热能、水能、太阳能、潮汐能、波浪能和风能 .(4 化石燃料和二氧化碳排放造成环境污染的控制技术及环境保护技术 . 重要日期提交 800字英文摘要 : 2009年 3月 31日论文接收函 : 2009年 4月 30日提交论文全文 : 2009年 7月 1日。