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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)