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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。
What is MESFET ?
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。
歐姆接觸
 金屬與半導體間的接點
 蕭基二極體
 歐姆接觸
Bn
Bn
EF
EF
EG
EG
Metal
n-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

d
2 Vb 0
qN D
Bn
EG
EF
EF
EG
Metal
n-Semiconductor
Bp
Metal
p-Semiconductor
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
形成歐姆接觸的各種方法
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
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
MBE示意圖
低溫(600度)
10-12 torr的超高真空度
(UHV,Ultra-High Vacuum)
控制量
加熱:固
液
汽
Slow growth rate
小於1um/hour
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
分子束磊晶技術(MBE)
 基片加熱器
Substrate heater
 旋轉器
CAR(continual
azimuthal rotation )
分子束磊晶技術(MBE)
 Ion gauge
 BEP gauge
(beam effective
pressure)
 液態氮冷卻裝置
Cryopanels
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
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
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
分子束磊晶技術(MBE)
 RHEED接收信號和磊晶情形的關係圖
分子束磊晶機台
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。
MESFET的操作原理 簡介
S.I.GaAs
n- GaAs
n+ GaAs
金鍺鎳合金
鋁
 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。
MESFET的操作原理 簡介
S+
G-
D
 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。
MESFET的操作原理 簡介
S-
G+
D
 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。
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
n+
G
nP-type Si
D
n+
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
MESFET的操作原理 公式推導
 令β=0.5μnCox(W/L)
 Id=0 for Vgs<Vt
Id=β[2(Vgs - Vt)Vds – (Vds)²](1+λVds)
for Vgs≥Vt Vds<Vgs-Vt
Id=β(Vgs - Vt)²(1+λVds)
for Vgs≥Vt Vds≥Vgs-Vt
ε
ε
 Cox= ox/tox, ox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。
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
G
ro
1/gm
S
π model
S
T model
MESFET的操作原理 結果模擬
 典型値:
Vt = -1 V
β = 0.0001 A/V²
λ = 0.1 V⁻¹
(Microelectronic Circuits by Sedra/Smith table 5.2)
 用spice內定値來模擬:
Vt = -2.5 V
β = 0.1 A/V²
λ = 0 V⁻¹
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
MESFET’s manufacturing (1)
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 (2)
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
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。
MESFET’s manufacturing (3)
清洗
光阻塗佈
曝光
蝕刻
蒸鍍
溶解光阻
清洗
清洗晶片
棉花棒清洗
氮氣槍吹乾
棉花棒清洗
氮氣槍吹乾
丙酮
甲醇
棉花棒清洗
氮氣槍吹乾
DI水
 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。
光阻塗佈
擺放晶片
旋轉
抽氣
滴光阻
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。
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。
曝光
Mask
S.I.GaAs
軟烤後
n- GaAs
n+ GaAs
金鍺鎳合金
光阻
曝光
顯影
顯影劑
DI水
DI水
氮氣槍吹乾
顯微鏡檢查
 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。
顯影
顯影前
 紅色部分為曝光後的光阻。
顯影後
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。
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)。
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)。
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。
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。
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
丙酮
甲醇
棉花棒清洗
氮氣槍吹乾
DI水
 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。
完成
側面圖
高台區
俯視圖
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)