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半導體專題實驗

半導體專題實驗. 實驗五 金屬半導體場效電晶體之製作與量測. Why MESFET ?. High electron mobility 低電阻，高輸出電流 快速充放電荷 數位高速元件 High saturation velocity 高截止頻率 類比高頻元件 應用 ： GPS. MESFET 的結構. MESFET 的 Gate 是將金屬直接放在 n-type GaAs 通道之上形成的。 通道長度 L 、寬度 W 由 Gate 長度決定。 為了降低 Drain 和 Source 接點的寄生電阻，兩個接點是做在 n+ GaAs 上。.

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半導體專題實驗

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Presentation Transcript

  1. 半導體專題實驗 實驗五 金屬半導體場效電晶體之製作與量測

  2. Why MESFET ? • High electron mobility 低電阻，高輸出電流 快速充放電荷 數位高速元件 • High saturation velocity 高截止頻率 類比高頻元件 • 應用：GPS

  3. MESFET的結構 • MESFET的Gate是將金屬直接放在n-type GaAs通道之上形成的。 • 通道長度L、寬度W由Gate長度決定。 • 為了降低Drain和Source接點的寄生電阻，兩個接點是做在n+ GaAs上。

  4. What is MESFET ?

  5. 操作原理 • MESFET的操作與JFET操作極類似。Gate下的通道形成空乏區，空乏區的厚度由Vgs控制，這等效控制了通道的尺寸，因而控制了對應Vds由Drain流向Source的電流，Vds使等效通道變成錐形。

  6. Bn Bn EF EF EG EG Metal n-Semiconductor Metal n-Semiconductor 歐姆接觸 • 金屬與半導體間的接點 • 蕭基二極體 • 歐姆接觸

  7. Bn EG EF EF Bp EG Metal p-Semiconductor Metal n-Semiconductor 蕭基二極體 • 如同p-n junction般形成空乏區，但金屬部分無此一現象。 • n-type傳導帶較金屬高，電子向金屬移動 。 • p-type價帶較金屬低，電洞向半導體移動。 • 空乏區受摻雜與能障高低影響

  8. 歐姆接觸 • 為避免影響元件特性，歐姆接點盡可能只表現如一很小之電阻。 • 摻雜濃度夠高 • 若半導體摻雜的濃度過高，幾乎任何金屬與之接觸都能產生歐姆接觸．但因此濃度不易達到（1×10^19），故改以合金替代 • Au-Ge有相當低的barrier，Ni則有助於歐姆接觸形成 • 不同半導體與不同金屬形成歐姆接觸的方法各異

  9. 形成歐姆接觸的各種方法

  10. 磊晶Epitaxy • Epitaxy：磊晶，源字兩個希臘文 • Epi：在什麼的上面 • Taxis：安排好的、有秩序的 • 在單晶基片上，再長一層薄的單晶層 • 在基片的深部進行重度參雜，提高電晶體效能。 • CVD Epitaxy、Molecular Beam Epitaxy

  11. 分子磊晶技術（MBE） • 以超高真空蒸鍍的方式進行磊晶 • 蒸發的分子以極高的熱速率，直線前進到磊晶基板之上 • 以快門阻隔的方式，控制蒸發分子束 • 優點是能夠精準控制磊晶的厚度

  12. MBE示意圖 低溫(600度) 10-12 torr的超高真空度 （UHV，Ultra-High Vacuum） 控制量 Slow growth rate 小於1um/hour 加熱:固 液 汽

  13. 分子束磊晶技術(MBE)裝置圖 • http://www.ece.utexas.edu/projects/ece/mrc/groups/street_mbe/mbechapter.html#Basic

  14. 分子束磊晶技術(MBE) • 基片加熱器 Substrate heater • 旋轉器 CAR(continual azimuthal rotation )

  15. 分子束磊晶技術(MBE) • Ion gauge • BEP gauge (beam effective pressure) • 液態氮冷卻裝置 Cryopanels

  16. 分子束磊晶技術(MBE) • 分子束裝置 Effusion cell • 溫度來控制各個分子 束所需要的流量(flux) • 每增加0.5度C，flux 上升1% • 由電腦控制前方檔板 ，

  17. 分子束磊晶技術(MBE) • RHEED gun reflection high-energy electron diffraction gun • 反射高能量 電子繞射槍 • 沉積速率、基片溫度 、基片表面原子排列情形 ，

  18. 分子束磊晶技術(MBE) • 由RHEED gun 打出電子束(10keV、0.5~2degree) • 經由基片表面反射 • 在Fluorescent Screeng上觀察反射及繞涉影像來判斷磊晶的情形

  19. 分子束磊晶技術(MBE) • RHEED接收信號和磊晶情形的關係圖

  20. 分子束磊晶機台

  21. MESFET的操作原理 簡介 • MESFET即是Metal-Semiconductor Field Effect Transistor。早期積體電路上的元件都是用矽製成的，但MESFET卻是用GaAs，其優點是GaAs的電子mobility是矽的5到8倍，所以在相同跨壓下，GaAs元件所形成的電流比Si元件大很多，能較快地對負載電容及寄生電容充放電，因此電路速度較快。 • 因為電洞在GaAs中的mobility很低，所以一般只有n-channel的MESFET。缺少互補電晶體是GaAs技術的一大缺點。

  22. MESFET的操作原理 簡介 • 金鍺鎳合金為集極和源極。 • 鋁為閘極。 • n+ GaAs用來降低集極源極和n- GaAs的接面電阻。 • n- GaAs為電流通道。 S.I.GaAs n- GaAs n+ GaAs 金鍺鎳合金 鋁

  23. MESFET的操作原理 簡介 • 加上負的Vgs，n-區的電子會往源極走，又因為閘極與n-區的接面電阻較大，電子補充不易，所以在n-區會形成載子空乏區，減少電流通道。 • 如果Vgs太負的話，n-區空乏區太大，會導致電流截止。定義臨界電壓Vt，”Vt為負的”，Vgs>Vt時電流通道才通。 S+ G- D

  24. MESFET的操作原理 簡介 • 加上正的Vgs，n-區的電子會往閘極走，但因為源極電子補充非常容易，所以在n-區的載子濃度上升，電流通道變大。 • 如果Vgs為正幾十毫伏還有調節電流通道的功用，但當Vgs超過0.7V左右時(類似二極體的導通)，就不是電晶體正常的操作了。 S- G+ D

  25. MESFET的操作原理 公式推導 • 由上述可知，Vgs的操作範圍在Vt到正幾十毫伏(重要)。 • MESFET可以用傳統MOSFET(Depletion-type)的公式來模擬，但Vgs的範圍沒有上限。 S D G n- n+ n+ P-type Si

  26. MESFET的操作原理 公式推導 • Id=0 for Vgs<Vt • Id=μnCox(W/L)[(Vgs - Vt)Vds – 0.5(Vds)²] for Vgs≥Vt Vds<Vgs-Vt • Id=0.5μnCox(W/L)(Vgs - Vt)² for Vgs≥Vt Vds≥Vgs-Vt

  27. MESFET的操作原理 公式推導 • 令β=0.5μnCox(W/L) • Id=0 for Vgs<VtId=β[2(Vgs - Vt)Vds – (Vds)²](1+λVds) for Vgs≥Vt Vds<Vgs-VtId=β(Vgs - Vt)²(1+λVds) for Vgs≥Vt Vds≥Vgs-Vt • Cox=εox/tox，εox為氧化層介電常數，tox為氧化層厚度，因為MESFET沒有氧化層，所以用常數β代替他們。 • 式子2和3後面的(1+λVds)加上去會使式子和測量結果更相近。

  28. MESFET的操作原理 公式推導 • MESFET的小信號模型也可用傳統的MOSFET來模擬。 • gm=2β(Vgs - Vt)(1+λVds)ro=1/[λβ(Vgs - Vt)²] D G D gmVgs ro gmVgs ro G 1/gm S S π model T model

  29. MESFET的操作原理 結果模擬 • 典型値：Vt = -1 Vβ= 0.0001 A/V²λ= 0.1 V⁻¹(Microelectronic Circuits by Sedra/Smith table 5.2) • 用spice內定値來模擬：Vt = -2.5 Vβ= 0.1 A/V²λ= 0 V⁻¹

  30. MESFET的操作原理 結果模擬 Vgs= 0V Vgs= -0.5V Vgs= -1V Vgs= -1.5V Vgs= -2V Vgs= -2.5V

  31. 清洗(丙酮、甲醇、去離子水) 光阻塗佈(4000rpm、30s) 曝光、顯影15秒 蝕刻(30秒) 清洗 MESFET’s manufacturing (1)

  32. 清洗 光阻塗佈 曝光、顯影 蒸鍍 溶解光阻 熱退火(410度、30秒) 清洗 MESFET’s manufacturing (2) S.I.GaAs (Semi-insulating GaAs)--即是無參雜的GaAs，因為無參雜的GaAs導電率非常低，所以叫做Semi-insulating GaAs。

  33. 清洗 光阻塗佈 曝光 蝕刻 蒸鍍 溶解光阻 清洗 MESFET’s manufacturing (3)

  34. 清洗晶片 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 DI水 丙酮 甲醇 • 棉花棒清洗時別太用力。 • 丙酮主要是用來去除有機沾污，所以也可以 用來去除光阻。

  35. 光阻塗佈 擺放晶片 抽氣 滴光阻 旋轉 關抽氣 取晶片 • 旋轉時第一段是1000rpm 10秒，第二段是4000rpm 40秒，可以作為光阻塗佈的參考値。

  36. 軟烤 • 將塗上光阻的晶片放入烤箱中軟烤。 • 軟烤時光阻中的溶劑蒸發，光阻由液體轉為固體，增加與晶圓表面之黏著性。

  37. 曝光 Mask S.I.GaAs n- GaAs 曝光 軟烤後 n+ GaAs 金鍺鎳合金 光阻

  38. 顯影 氮氣槍吹乾 顯微鏡檢查 DI水 顯影劑 DI水 • 顯影劑溶液是由一份顯影劑(D-35)比四到五份DI水混合而成。 • 晶片從顯影劑拿出來後要立即浸入DI水中，不然會過度顯影。

  39. 顯影 顯影前 顯影後 • 紅色部分為曝光後的光阻。

  40. 硬烤 • 將顯影後的晶片放入烤箱中硬烤。 • 因為Mask不理想而光阻在曝光顯影後會產生多餘的小洞，硬烤可以使小洞被填充，還能使顯影後的光阻邊緣平滑化。

  41. 閘極製作 蝕刻n+ 氮氣槍吹乾 蝕刻液 DI水 • 蝕刻液=> 水：雙氧水：磷酸= 8：2：1。 • 防止過度蝕刻。n+GaAs厚400Å，HF蝕刻液蝕刻速率110~130Å/s，要蝕刻3~4秒(參考用)。

  42. 閘極製作 蝕刻n+ 蝕刻 n+ • 每蝕刻1~2秒就做一次測量，觀察電阻的變化，還沒蝕刻好時，電流幾乎都走n+區，所以一開始電阻低且變化不大；蝕刻到n-區時，電流只能走n-區，所以電阻會突然變很大(應該會到幾kΩ的等級)。

  43. 閘極製作 鍍鋁 鍍鋁 灰色部份 • 利用真空熱蒸鍍系統，使用的儀器及原理可參考實驗三。

  44. 閘極製作 Lift-off 去光阻 • 由於光阻被溶解了，所以位於光阻上的非定義區鋁金屬也隨之剝落。

  45. 閘極製作 Lift-off 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 棉花棒清洗 氮氣槍吹乾 DI水 丙酮 甲醇 • 此步驟跟一開始的清洗晶片很像。 • 丙酮溶解光阻時，使用超音波震盪機效果比較好。

  46. 完成 側面圖 俯視圖 高台區 Source & Drain (源極集極可互換，但設計電路時需自行定義。) Gate (不是同高度)

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