作者：袁明文 單位：中國電子科技集團公司

１金剛石場效應管

由于器件的有源溝道形成機理不同，形成了兩種金剛石場效應管。一種是摻雜溝道型，依靠設計和摻雜（包括δ摻雜），場效應管具有較薄的高濃度摻雜層，即溝道層，多數器件采用帶場板的柵電極和挖槽結構；另一種是表面溝道型，利用氫端面的金剛石表面性質，即氫端面產生的準二維空穴氣，而不是依靠外部的雜質摻雜，形成器件的表面溝道，室溫下完全激活的溝道電荷密度１０１３ｃｍ－２。目前，已經研究的金剛石場效應管主要有兩類［２］。①δ摻雜場效應管（ＦＥＴ）：δ摻雜溝道金屬－半導體場效應管（ＭＥＳＦＥＴ）；δ摻雜溝道結型場效應管（ＪＦＥＴ）。②表面溝道場效應管（ＦＥＴ）：表面溝道金屬－絕緣物－半導體場效應管（ＭＩＳＦＥＴ）；表面溝道ＭＥＳＦＥＴ。大多數射頻金剛石ＦＥＴ制作在高壓高溫生長的晶相（００１）金剛石單晶襯底上，以實現器件的高增益和射頻工作。１９９４年，日本早稻田大學Ｈ．Ｋａｗａｒａｄａ等人［３］報道了空穴累積層溝道的金剛石ＭＥＳＦＥＴ。德國烏爾姆大學Ａ．Ａｌｅｋｓｏｖ等人［４］以及日本ＮＴＴ公司Ｍ．Ｋａｓｕ等人［５］提高了金剛石ＭＥＳＦＥＴ的性能，并測量了射頻功率和噪聲系數。２００５—２００６年，Ｋ．Ｕｅｄａ等人［６］改善了金剛石ＭＯＳＦＥＴ的性能，獲得輸出功率１Ｗ，特征頻率ｆＴ為３０ＧＨｚ。Ｍ．Ｋａｓｕ等人［７］研制了大顆粒金剛石膜ＦＥＴ。Ｋ．Ｈｉｒａｍａ等人［８］采用高品質多晶ＣＶＤ大顆粒金剛石膜，獲得ｆＴ和ｆｍａｘ較高的金剛石ＦＥＴ，其特征頻率ｆＴ為４５ＧＨｚ，最高振蕩頻率ｆｍａｘ為１２０ＧＨｚ，源漏電流ＩＤＳ為－５５０ｍＡ／ｍｍ。這表明迄今為止采用多晶金剛石，尤其是４英寸襯底的金剛石電子器件最有前途。大顆粒金剛石ＭＯＳＦＥＴ也有良好結果，特征頻率ｆＴ為４５ＧＨｚ，源漏電流ＩＤＳ為－７９０ｍＡ／ｍｍ。

１．１摻雜型場效應管為了利用本征ＣＶＤ金剛石的電荷傳輸特性，即高遷移率和低寄生電容，科研人員研究了金剛石摻雜型場效應管。他們不僅提出了金剛石ＭＥＳ－ＦＥＴ器件設計的侯選概念圖，如圖１所示的金屬半導體場效應管［９］，而且制備出相關的實驗器件，并獲得初步的器件性能。

１．１．１Ｐ－Ｉ－Ｐ金屬－絕緣物－半導體場效應管（ＭＩＳＦＥＴ）Ｐ－Ｉ－Ｐ表示具有本征有源溝道和重摻雜ｐ＋型源和漏的器件結構。這種晶體管結構的載流子傳輸概念與摻雜溝道ＦＥＴ不同，其電流就是空間電荷限制的電流。與硅晶體的情況相反，由于金剛石中氧端面的電勢被釘扎，不受柵電勢的影響，也不會形成反型層，電流傳輸就是純粹的受限制的空間電荷。為了縮短器件的溝道長度并提高溝道電流密度，將器件設計成２維ＭＩＳＦＥＴ，經過腐蝕挖深槽、摻雜導電溝道、淀積柵介質和金屬，加工后的示意圖如圖１（ａ）所示。柵極區下的空穴從源接觸區進入附近柵下的溝道。柵介質將柵和溝道分開，注入電流又變成１維的傳輸。理論上，這種器件的優點在于本征材料的載流子實現沒有雜質散射的傳輸，達到非常高的空穴遷移率，如報道過的３８００ｃｍ２／Ｖ•ｓ［１］。Ｈ．Ｅｌ－Ｈａｊｊ等人［１０］研究了δ摻雜溝道的ＭＩＳＦＥＴ，他們采用Ａｌ２Ｏ３柵二極管和柵極凹槽的結構，導致室溫下整個溝道載流子激活，并實現對溝道電流的夾斷調制。器件的柵長０．８μｍ，溝道電流密度為３０ｍＡ／ｍｍ，其特征頻率ｆＴ和最高振蕩頻率ｆｍａｘ分別約為１和３ＧＨｚ。

１．１．２δ摻雜型ＭＥＳＦＥＴ具有單δ摻雜層的ＭＥＳＦＥＴ如圖１（ｂ）所示，δ摻雜層位于兩層“非摻雜”的本征金剛石層之間，其很薄，只有幾個原子層厚。由于薄δ摻雜層的空穴擴散，主要是本征層具有導電性。具有雙δ摻雜層的ＭＥＳＦＥＴ如圖１（ｃ）所示，在源漏區下設計了頂層的δ摻雜層，以改善歐姆接觸，減少寄生電阻，而埋層的δ摻雜層則形成器件工作電流。Ｍ．Ｓｃｈｗｉｔｔｅｒｓ等人［１］研制δ摻雜ＭＥＳＦＥＴ時，為了避免氫端面的金剛石表面電荷，采用了具有釘扎表面勢能１．７ｅＶ的金剛石氧端面。在重摻雜區的表面形成源漏歐姆接觸金屬化，由２０ｎｍ厚的無定型Ｗ和Ａｕ的覆蓋層組成，并采用電子束蒸發ＷＳｉ靶，再淀積金的金屬化層，ＷＳｉ合金中Ｓｉ的組分是３３％。器件的設計圖如圖２所示，歐姆接觸層直接淀積在硼的δ摻雜層上，這種方法使得源漏電極接觸到較高的載流子區（位于δ摻雜層與本征層之間）。采用ＷＳｉ層的優點是高溫穩定，并有利于選擇外延。器件采用鋁的肖特基接觸，直接淀積在本征溝道層上，這種結構的肖特基勢壘高達１．３ｅＶ。由于器件表面受到氧端面的屏蔽，必須采用挖槽工藝，即在Ａｒ／Ｏ２等離子體中反應離子腐蝕（ＲＩＥ）挖槽，提高柵電極的性能，并減少寄生電阻。器件的實際柵長０．５μｍ。該器件獲得準晶體管的電流－電壓特性，器件溝道具有夾斷特性，但是源漏電流太小，小于１ｍＡ。

１．２表面溝道型場效應管采用氫端面的金剛石制備ＭＥＳＦＥＴ器件是一種不錯的選擇，即在ＣＶＤ制備金剛石過程中采用氫處理的表面導電溝道。這種ｐ型表面溝道器件具有很低的反向漏泄電流和較高的擊穿電壓，多數具有良好性能的ＭＥＳＦＥＴ采用自對準柵工藝。

１．２．１表面溝道型ＭＥＳＦＥＴ迄今為止，科研人員已經研究的金剛石ＭＥＳ－ＦＥＴ包括多種不同類型的金剛石襯底。①含氮的絕緣體金剛石［２］。該器件的柵長０．２μｍ，獲得了良好的表面溝道ＭＥＳＦＥＴ的直流輸出特性，最大漏電流密度高于３００ｍＡ／ｍｍ，最大漏偏壓達６８Ｖ，其射頻輸出功率密度可高達３Ｗ／ｍｍ。最大可用增益和最大單向增益外推的特征頻率ｆＴ為１１．５ＧＨｚ，最高振蕩頻率ｆｍａｘ為３１．７ＧＨｚ。②ＨＴＨＰ（００１）金剛石。在Ｍ．Ｋａｓｕ等人［７］制作同質外延金剛石（００１）ＦＥＴ時，在高溫高壓合成的單晶（００１）襯底上，采用微波等離子體ＣＶＤ技術同質外延約１μｍ厚的氫端面薄層，并在氫端面下幾納米厚的埋層，沿著表面形成穩定的空穴溝道。其空穴遷移率１５０ｃｍ２／Ｖ•ｓ，室溫的表面密度５×１０１２ｃｍ－２。器件結構如圖３所示，并采用標準的共平面多指結構。器件采用氧等離子體實現電隔離，直接在氫端面上淀積Ａｕ并金屬化，形成歐姆接觸。采用自對準形成Ｔ型的鋁柵金屬化。器件柵長０．１μｍ，柵寬１００μｍ，在１ＧＨｚ頻率下，最高輸出功率密度２．１Ｗ／ｍｍ，最高功率增益１０．９ｄＢ，附加效率３１．８％。③多晶金剛石。Ｋ．Ｕｅｄａ等人［６］研制的多晶金剛石ＭＥＳＦＥＴ采用自對準技術形成鋁的肖特基柵電極，并在氫端面上制作金的源漏電極，如圖４所示。該器件具有優良的直流和射頻性能。其源漏電流密度ＩＤＳ為５５０ｍＡ／ｍｍ，跨導ｇｍ為１４３ｍＳ／ｍｍ，特征頻率ｆＴ為４５ＧＨｚ，最高振蕩頻率ｆｍａｘ為１２０ＧＨｚ，遠比最好的單晶金剛石ＦＥＴ的ｆＴ和ｆｍａｘ優越。Ｍ．Ｃ．Ｒｏｓｓｉ等人［１１］采用多晶金剛石研制的微波功率器件，即表面溝道型ＭＥＳＦＥＴ，其電流密度達到１２０ｍＡ／ｍｍ，在１ＧＨｚ頻率下，輸出功率密度０．２Ｗ／ｍｍ，線性功率增益７ｄＢ，附加效率２２％。Ｐ．Ｃａｌｖａｎｉ等人［１２］也研究了具有表面溝道的ＭＥＳ－ＦＥＴ直流和射頻性能。器件采用氫端面的多晶顆粒金剛石薄膜，多晶顆粒尺寸為１００～２００μｍ，器件柵溝道長１～３μｍ，并采用自對準技術。柵長１μｍ的ＭＥＳＦＥＴ，其最大電流密度達１２０～１４０ｍＡ／ｍｍ，最高振蕩頻率ｆｍａｘ達３５ＧＨｚ。