閘極介電層氧化釓於硫鈍化後砷化鎵基板之電物性研究

Abstract

本論文中， 將選擇跟砷化鎵基板有較穩定特性的稀土族元素釓之氧化物作為閘極介電材料，接著我們利用表面預備製以及後熱退火來探討氧化釓與其砷化鎵之介面的電物性研究。 首先，對於砷化鎵基板的濕式化學清潔，發現鹽酸溶液對於表面會呈現砷化物居多的情形，接著做氨水蝕刻溶液去除多餘的砷化物。當清潔步驟完成時，接著馬上進行硫鈍化砷化鎵表面的工作。在介電質沉積之前，硫鈍化的目的可以降低時表面產生的大量介面缺陷氧化層，缺陷氧化層就會使得往後的電物性結果受到極大的影響。我們發現硫化物同時和砷或鎵形成反應，而硫化鎵鍵結比硫化砷鍵結更容易隨著硫化處理的溫度增加而讓鍵結穩定，那是因為堅強的鍵結情形，這樣的話就能降低氧化釓與其砷化鎵電容結構的表面自然氧化層以及介面捕捉狀態密度。 我們也發現硫化銨與水溶液或醇類溶液結合可以有效解決金屬與砷化鎵的費米能階釘札情形。混合的硫化銨和丁醇(butanol)是最有效率可以降低蕭基特能位障的溶液，這是因為硫鈍化可以去除大量的介面氧化層。 另外，後退火幫助氧化釓與砷化鎵接面的品質得到改善；改變不同退火環境可以得到在電容-電壓以及電流-電壓不同的特性。在500-600度的含氧氣體下呈現較少色散的電容-電壓曲線和低的漏電流程度，反之惰性的氬氣或氮氣含量氣體則得到相反結果。另一方面，吸水造成的衰退情形對我們已沉積的高介電質氧化釓並沒有太大明顯，透過韋伯(Weibull)分佈研究下，氧化釓在砷化鎵上的電容即使一個月時間依然可以得到相同的電特性。因此，我們推斷高穩定的氧化釓與其砷化鎵介面可以整合硫鈍化預先處理和介電質退火過程去實現金屬-氧化物-半導體結構的高速元件應用。