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【会员新闻】NCT的新研究——氮掺杂β-Ga₂O₃垂直晶体管，阈值电压≥1.3V，通道迁移率为100cm²V⁻¹s⁻¹
日期：2023-07-07阅读：205
摘要
使用卤化物气相外延生长的氮掺杂β-Ga2O3高电阻层，展示了高性能的常关multi-fin β-Ga2O3垂直晶体管，其fin宽度为1.0至2.0μm。实现了常关型操作，阈值电压≥1.3V，比导通电阻为2.9mΩ·cm2，栅极电压为+10V时的电流密度为760A cm-2。估计的MOS通道场效应迁移率约为100cm2V−1s−1。这些发现为Ga2O3MOSFET的发展提供了重要见解，并展示了Ga2O3垂直功率器件的巨大潜力。
β型氧化镓（β-Ga2O3）已经成为电力电子行业的关注点，特别是在电动汽车、电力调节、配电和开关应用方面，因其具有大带隙（4.5-4.9 eV）、高理论击穿电场（6-8 MV cm-1）和超过Si、SiC和GaN的巴利加优值（FOM）。到目前为止，使用β-Ga2O3制造器件的工作已经在积极进行。1-9) 横向晶体管的击穿电压高达8kV 10)，并证明了纵向晶体管的击穿电压为2.6kV 11)和5kV 12)。到目前为止，由于难以制造β-Ga2O3的p型导电层，横向晶体管的凹陷栅极结构和垂直晶体管的亚微米fin通道结构已经实现了常关特性，而没有p型掺杂11-13）。然而，这些器件的阈值电压（Vth）在很大程度上取决于凹槽深度或亚微米fin的宽度。因此，在传统的4英寸和6英寸大规模生产线上很难制造出毫米尺寸的功率器件。β-Ga2O3高电阻p-like-well结构，其Vth取决于深层受体的掺杂浓度，如氮（N）14-16）和镁（Mg）16-18）已被研究为替代结构，其中Vth不强烈依赖于凹槽深度或fin的宽度。根据之前的报告，使用分子束外延生长的N掺杂薄层的横向晶体管19)和使用N离子注入层的垂直U型沟槽栅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS FET）20)具有常关特性。然而，前一个晶体管只在亚阈值区域工作，而后一个晶体管由于没有优化N+注入的剂量，需要25V的大的正栅极偏置电压（Vgs）才能工作。在本文中，我们报告了高性能的常关multi-fin β-Ga2O3垂直晶体管（Vth≥1.3V，Ron,sp=2.6mΩ·cm2 @Vgs=10V，μFE∼100cm2V-1s-1），其中fin宽度对Vth的影响很小；它们有一个由卤化物气相外延（HVPE）生长的N掺杂β-Ga2O3厚的高阻层。
设备的示意结构如图1(a)所示。为了评估MOS通道迁移率，通过HVPE在没有漂移层的(001) n+-β-Ga2O3衬底上生长了一层厚度为3.3μm的N掺杂Ga2O3 well层。第一层n+层（[Si]≈1×1016–8×1018cm−3，深度650nm）通过Si注入21)，在表面上形成的，深度达500nm，通过在N2将Si在1000℃下退火30分钟，扩散到650nm深度，以连接MOS通道和源接触区。第二层n+层（[Si]≈6×1019cm−3，深度200nm）通过硅离子注入并在N2下900°C退火1分钟，在顶部表面形成，以促进源的欧姆接触。在器件制造后，通过次级离子质谱确认了源区域下的掺杂剖面（SIMS；图2）。非Si注入和扩散层的厚度为2.6μm，其中N浓度约为1.0×1016cm−3，Si浓度约为3.0×1015cm−3或更低，Cl浓度约为2.0×1015cm−3。N的来源很可能是HVPE生长过程中的N2载气。在Si注入和扩散后，通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积了SiO2蚀刻掩模。通过电子束光刻确定了fin通道，并通过使用CHF3和BCl3进行干法刻蚀形成。得到的fin通道具有近乎垂直的侧壁剖面[图1(b)]。干法刻蚀后，先用HF处理晶片15分钟，以去除SiO2蚀刻掩模和等离子体损伤层。然后，通过原子层沉积法沉积了53nm的SiO2栅介质并在800°C下进行了10分钟的沉积后退火。通过电子束蒸发（EBE）沉积了70nm的Cr栅金属。接下来，从fin底部到顶部通过PECVD沉积了厚SiO2间隔层。通过使用CHF3和Cl2/O2进行干法刻蚀，将SiO2间隔层和Cr栅金属刻蚀到距离fin顶部下方600nm处。然后，在fin顶部去除SiO2后，通过EBE沉积在fin顶部的源电极（Ti/Au）和n+-β-Ga2O3衬底背面的漏电极（Ti/Au）。
图1. (a) 具有多fin的Ga2O3垂直fin晶体管的截面示意图。(b) fin通道的扫描电子显微镜（SEM）横截面图。(c) fin宽度为∼2.0μm、fin顺时针旋转60°的multi-fin器件的光学图像。
图2.在Sn掺杂的Ga2O3衬底上，SIMS显示了0.65 μm深度的Si注入的3.3 μm厚N掺杂Ga2O3外延层。
图1(c)显示了制造的multi-fin装置的俯视图。将0°定义为沿[010]方向具有类似(100)侧壁的fin，对fin顺时针旋转60°的器件进行了测试。器件的fin宽度（Wfin）为1.0、1.5和2.0μm，间距分别为6.0、6.5和7.0μm。
图3（a）和图3（b）显示了晶体管的传输特性和阈值电压Vth与Wfin的关系。在这里，电流密度（J）通过活动区域A（fin的数量10×间距×fin长度60 μm）进行归一化。阈值电压Vth是通过在Vgs=2V和3V之间线性外推Jd-Vgs特性获得的。除非另有说明，讨论的器件特性是在Vth稳定后的状态下进行的。从图3（a）可以看出，无论Wfin如何，这些器件的阈值电压Vth均超过1V，开关比>108，并且电流密度>1A cm−2（Vgs=3V，Vds=0.1V）。在实验中，随着Wfin的减小，Jd max也会减小。这是因为SiO2的蚀刻背面处理对于Wfin=2μm图案进行了优化，因此当Wfin减小到1.5、1.0 μm时，栅极的顶部从掺杂的n+层降低，导致源-沟道电阻大幅增加。图3（b）显示了Vth和Wfin的关系。空心和实心圆表示Vth的实验结果，实线和虚线表示n沟道FinFET的Vth计算结果。空心和实心圆表示从第一个上升传输Jd-Vgs扫描和随后的Jd-Vgs扫描中提取的新产生的和稳定的Vth。在随后的Jd-Vgs扫描中，Vth增加了0.3-0.6V并稳定。这种不稳定性归因于由于电子在MOS界面或SiO2内部被捕获而导致的负界面电荷密度增加。捕获的电子密度估计为1.2-2.6×1011cm2。由于这些陷阱具有较长的发射时间常数，从稳定状态回到新的状态需要超过两周的时间。线条显示了n沟道FinFET的计算Vth与Wfin的关系。Vth通过以下公式（1）获得：
图3. (a) 具有不同通道宽度的垂直晶体管的传输Jd-Vgs特性。(b) Vth与fin通道宽度的关系。实心圆点表示本实验中得到的实验结果。实线表示n沟道FinFETs的计算Vth。
Vth：阈值电压，φms：金属和半导体的功函数差。
ND：供体浓度，W：Wfin/2，ε0：真空度。
εs：Ga2O3的相对介电常数，Cox：氧化膜的电容。
如实线所示，在ND为0.5–1.0×1016cm−3的条件下，即HVPE实验中展示的最低值，Vth对Wfin有很大依赖性，需要0.4–0.5 μm或更小的Wfin才能获得通常关断特性。另一方面，如虚线所示，如果ND可以降低到1.0×1014cm−3，Vth对Wfin的依赖性会减弱，即使在1 μm或更大的情况下也可以获得通常关断特性。在N掺杂通道中，深受主杂质（N）的浓度高于施主杂质（Cl和Si），如图2所示。因此，施主在N掺杂通道中完全被深受主补偿，Vth对Wfin的依赖性减弱。此外，深受主能级可能提高N掺杂通道中的费米能级，进一步增加Vth。
图4（a）显示了具有Wfin约为2.0μm的器件的Jd-Vgs特性。该器件具有Vth约为1.9V（Vds=0.1 V）和开关比>108。亚阈值斜率约为90mV dec−1。图4（b）显示了N掺杂MOS FET的估计场效应迁移率。约为100 cm2V−1s−1的场效应迁移率是由HVPE无意掺杂外延层（ND-NA=1×1016cm−3）的霍尔迁移率（150cm2V−1s−1）的三分之二。使用公式（2）估计FET：
图4.（a）Wfin为∼2.0μm、间距为7.0μm时的转移Jd-Vgs特性。(b) Wfin为∼2.0 μm的场效应迁移率特性。
将沟道电流的值设定为漏极电流ID的1/20（该器件有10个fin，在有源区A有两个侧壁），从图2的SIMS剖面中获取的沟道长度Lch（2.6μm），沟道宽度等于fin长度Lfin（60μm），根据同一晶片上MOS电容器估计的栅介质薄膜的介电常数εr（4.06），以及SiO2厚度tOX（53nm）。通过减少MOS界面处的粗糙散射和库仑散射，可以实现高电子迁移率（100cm2V−1s−1），因为沟道中较低的N受主浓度（1.0×1016cm−3）在正向栅偏条件下降低了MOS界面处的有效电场。这种迁移率对于600–3000 V MOS FET应用非常有吸引力，其中Ron,sp受到与迁移率的倒数成比例的MOS沟道电阻的限制。
图5显示了一个Wfin约为2.0 μm的器件的Jd-Vds特性。根据测量，Ron,sp（电阻面积产品）确定为2.9mΩ·cm2（Vgs=10V），Jd为760A cm−2（Vgs =10V，Vds=5V）。计算得出的Ron,sp包含了衬底串联电阻，为1.5 mΩ·cm2（ND=4×1018 cm−3，μ=47cm2V−1s−1，t=550μm）；因此，实际的MOS沟道电阻Rch,sp应为1.4 mΩ·cm2。
图5.输出Jd-Vds特性
总结来说，我们成功展示了高性能的常关型β-Ga2O3垂直场效应晶体管。通过引入由HVPE生长的N掺杂β-Ga2O3高阻层，降低了fin宽度对Vth的影响。在multi-fin器件中实现了Ron,sp2.9mΩ·cm2、Jd760A cm−2和约100cm2V−1s−1的迁移率。这些结果对于β-Ga2O3功率晶体管的开发是一项重要进展。
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