半导体专题实验金属半导体场效晶体管之制作与量测

半导体专题实验金属半导体场效晶体管之制作与量测WhyMESFET?Highelectronmobility

低电阻，高输出电流快速充放电荷数位高速元件Highsaturationvelocity

高截止频率类比高频元件应用：GPS

MESFET的结构

MESFET的Gate是将金属直接放在n-typeGaAs通道之上形成的。通道长度L、宽度W由Gate长度决定。为了降低Drain和Source接点的寄生电阻，两个接点是做在n+GaAs上。

WhatisMESFET?操作原理

MESFET的操作与JFET操作极类似。Gate下的通道形成空乏区，空乏区的厚度由Vgs控制，这等效控制了通道的尺寸，因而控制了对应Vds由Drain流向Source的电流，Vds使等效通道变成锥形。欧姆接触金属与半导体间的接点萧基二极管欧姆接触EG

BnEFMetaln-SemiconductorEG

BnEFMetaln-Semiconductor萧基二极管如同p-njunction般形成空乏区，但金属部分无此一现象。n-type传导带较金属高，电子向金属移动。p-type价带较金属低，电洞向半导体移动。空乏区受掺杂与能障高低影响

EG

BnEFMetaln-SemiconductorEG

BpEFMetalp-Semiconductor欧姆接触为避免影响元件特性，欧姆接点尽可能只表现如一很小之电阻。掺杂浓度够高若半导体掺杂的浓度过高，几乎任何金属与之接触都能产生欧姆接触．但因此浓度不易达到（1×10^19），故改以合金替代Au-Ge有相当低的barrier，Ni则有助于欧姆接触形成不同半导体与不同金属形成欧姆接触的方法各异形成欧姆接触的各种方法磊晶EpitaxyEpitaxy：磊晶，源字两个希腊文Epi：在什么的上面Taxis：安排好的、有秩序的在单晶基片上，再长一层薄的单晶层在基片的深部进行重度参杂，提高晶体管效能。CVDEpitaxy、MolecularBeamEpitaxy分子磊晶技术（MBE）以超高真空蒸镀的方式进行磊晶蒸发的分子以极高的热速率，直线前进到磊晶基板之上以快门阻隔的方式，控制蒸发分子束优点是能够精准控制磊晶的厚度MBE示意图加热:固液汽低温(600度)控制量Slowgrowthrate小于1um/hour10-12torr的超高真空度（UHV，Ultra-HighVacuum）分子束磊晶技术(MBE)装置图/projects/ece/mrc/groups/street_mbe/mbechapter.html#Basic分子束磊晶技术(MBE)基片加热器

Substrateheater旋转器

CAR(continual

azimuthalrotation)分子束磊晶技术(MBE)IongaugeBEPgauge(beameffectivepressure)液态氮冷却装置

Cryopanels分子束磊晶技术(MBE)分子束装置

Effusioncell温度来控制各个分子束所需要的流量(flux)

每增加0.5度C，flux

上升1%由计算机控制前方档板，分子束磊晶技术(MBE)RHEEDgun

reflectionhigh-energyelectrondiffractiongun

反射高能量电子绕射枪沉积速率、基片温度、基片表面原子排列情形，分子束磊晶技术(MBE)由RHEEDgun打出电子束(10keV、0.5~2degree)经由基片表面反射在FluorescentScreeng上观察反射及绕涉影像来判断磊晶的情形分子束磊晶技术(MBE)RHEED接收信号和磊晶情形的关系图分子束磊晶机台MESFET的操作原理简介MESFET即是Metal-SemiconductorFieldEffectTransistor。早期集成电路上的元件都是用硅制成的，但MESFET却是用GaAs，其优点是GaAs的电子mobility是硅的5到8倍，所以在相同跨压下，GaAs元件所形成的电流比Si元件大很多，能较快地对负载电容及寄生电容充放电，因此电路速度较快。因为电洞在GaAs中的mobility很低，所以一般只有n-channel的MESFET。缺少互补晶体管是GaAs技术的一大缺点。MESFET的操作原理简介金锗镍合金为集极和源极。铝为闸极。n+GaAs用来降低集极源极和n-GaAs的接面电阻。n-GaAs为电流通道。n-GaAsn+GaAs金锗镍合金铝S.I.GaAsMESFET的操作原理简介加上负的Vgs，n-区的电子会往源极走，又因为闸极与n-区的接面电阻较大，电子补充不易，所以在n-区会形成载子空乏区，减少电流通道。如果Vgs太负的话，n-区空乏区太大，会导致电流截止。定义临界电压Vt，”Vt为负的”，Vgs>Vt时电流通道才通。S+G-DMESFET的操作原理简介加上正的Vgs，n-区的电子会往闸极走，但因为源极电子补充非常容易，所以在n-区的载子浓度上升，电流通道变大。如果Vgs为正几十毫伏还有调节电流通道的功用，但当Vgs超过0.7V左右时(类似二极管的导通)，就不是晶体管正常的操作了。S-DG+MESFET的操作原理公式推导由上述可知，Vgs的操作范围在Vt到正几十毫伏(重要)。MESFET可以用传统MOSFET(Depletion-type)的公式来模拟，但Vgs的范围没有上限。

SGDP-typeSin+n+n-MESFET的操作原理公式推导Id=0forVgs<Vt

Id=μnCox(W/L)[(Vgs-Vt)Vds–0.5(Vds)²]

forVgs≥VtVds<Vgs-Vt

Id=0.5μnCox(W/L)(Vgs-Vt)²

forVgs≥VtVds≥Vgs-VtMESFET的操作原理公式推导令β=0.5μnCox(W/L)Id=0forVgs<Vt

Id=β[2(Vgs-Vt)Vds–(Vds)²](1+λVds)

forVgs≥VtVds<Vgs-Vt

Id=β(Vgs-Vt)²(1+λVds)

forVgs≥VtVds≥Vgs-VtCox=εox/tox，εox为氧化层介电常数，tox为氧化层厚度，因为MESFET没有氧化层，所以用常数β代替他们。式子2和3后面的(1+λVds)加上去会使式子和测量结果更相近。MESFET的操作原理公式推导MESFET的小信号模型也可用传统的MOSFET来模拟。gm=2β(Vgs-Vt)(1+λVds)

ro=1/[λβ(Vgs-Vt)²]GSDgmVgsroSGDrogmVgs1/gmπmodelTmodelMESFET的操作原理结果模拟典型値：

Vt=-1V

β

=0.0001A/V²

λ

=0.1V⁻¹

(MicroelectronicCircuitsbySedra/Smithtable5.2)用spice内定値来模拟：

Vt=-2.5V

β

=0.1A/V²

λ

=0V⁻¹MESFET的操作原理结果模拟Vgs=-2.5VVgs=-2VVgs=-1.5VVgs=-1VVgs=-0.5VVgs=0VMESFET’smanufacturing(1)清洗(丙酮、甲醇、去离子水)光阻涂布(4000rpm、30s)曝光、显影15秒蚀刻(30秒)清洗MESFET’smanufacturing(2)清洗光阻涂布曝光、显影蒸镀溶解光阻热退火(410度、30秒)清洗S.I.GaAs(Semi-insulatingGaAs)--即是无参杂的GaAs，因为无参杂的GaAs导电率非常低，所以叫做Semi-insulatingGaAs。MESFET’smanufacturing(3)清洗光阻涂布曝光蚀刻蒸镀溶解光阻清洗清洗芯片棉花棒清洗时别太用力。丙酮主要是用来去除有机沾污，所以也可以用来去除光阻。棉花棒清洗氮气枪吹干棉花棒清洗氮气枪吹干棉花棒清洗氮气枪吹干丙酮甲醇DI水光阻涂布旋转时第一段是1000rpm10秒，第二段是4000rpm40秒，可以作为光阻涂布的参考値。摆放芯片滴光阻旋转关抽气取芯片抽气软烤将涂上光阻的芯片放入烤箱中软烤。软烤时光阻中的溶剂蒸发，光阻由液体转为固体，增加与晶圆表面之黏着性。曝光S.I.GaAsMaskn-GaAsn+GaAs金锗镍合金光阻软烤后曝光显影显影剂溶液是由一份显影剂(D-35)比四到五份DI水混合而成。芯片从显影剂拿出来后要立即浸入DI水中，不然会过度显影。显影剂DI水DI水氮气枪吹干显微镜检查显影红色部分为曝光后的光阻。显影前显影后硬烤将显影后的芯片放入烤箱中硬烤。因为Mask不理想而光阻在曝光显影后会产生多余的小洞，硬烤可以使小洞被填充，还能使显影后的光阻边缘平滑化。闸极制作蚀刻n+蚀刻液=>水：双氧水：磷酸=8：2：1。防止过度蚀刻。n+GaAs厚400Å，HF蚀刻液蚀刻速率110~130Å/s，要蚀刻3~4秒(参考用)。氮气枪吹干蚀刻液DI水闸极制作蚀刻n+每蚀刻1~2秒就做一次测量，观察电阻的变化，还没蚀刻好时，电流几乎都走n+区，所以一开始电阻低且变化不大；蚀刻到n-区时，电流只能走n-区，所以电阻会突然变很大(应该会到几kΩ的等级)。蚀刻n+闸极制作镀铝利