氢终端金刚石场效应管器件特性研究

发布时间：2020-05-07 21:57

【摘要】：金刚石是一种超宽禁带半导体材料,由于其击穿电场高、热导率高、载流子迁移率高等特性,被认为是终极半导体,可应用于高温、高频率和高功率器件。金刚石的n型和p型掺杂室温下难以激活,而氢终端金刚石在室温下可形成二维空穴气,获得p型表面电导。因此,目前金刚石电子器件的核心结构是氢终端金刚石场效应管(FET)。在氢终端金刚石器件领域,仍有许多问题需要突破,包括如何提高器件的稳定性、2DHG浓度、耐高温性、频率特性等。国内对金刚石电子器件目前还研究较少。作者开展了氢终端金刚石FET的初步研究,主要研究内容与成果如下:1.利用微波等离子体化学气相淀积(MPCVD)设备在钼衬底上制备出了2英寸、质量较高的多晶金刚石薄膜。2.利用MPCVD设备对多片金刚石薄膜进行氢等离子体处理、形成氢终端,找出氢终端表面制备的最优条件,并发现处理时长与金刚石表面粗糙度的关系,以及在相同处理条件下,纯度高的金刚石表面电阻更小,所以高质量的金刚石薄膜是制备高性能器件的必要条件。3.采用高质量、大面积的多晶金刚石薄膜,利用Au和Al与氢终端金刚石形成欧姆接触和肖特基接触,成功制备了氢终端金刚石MESFETs。栅长2μm和4μm的器件的特性达到国际水平,有宽阔的高跨导区和低导通电阻。分析发现较高的沟道载流子浓度1.56×10~(13) cm~(-2)和在大范围栅压内的高水平迁移率170 cm~2/(Vs)是获得器件宽跨导峰和低导通电阻的原因。宽阔的高跨导区有利于实现高的频率特性和高线性的微波功率放大,栅长2μm的器件频率特性f_T和f_(max)分别为1.5 GHz和3.3 GHz。4.测试分析了国产多晶金刚石上制备的栅长2μm的氢终端MESFET器件的变温特性,发现没有表面介质保护的器件在200℃时出现特性的退化,其原因可能由于在高温情况下氢终端金刚石表面吸附的带电离子出现解吸附现象,导致器件的沟道2DHG密度降低,性能退化。最后,采用转移掺杂介质MoO_3将MESFET器件钝化后,对其输出特性进行连续三次测量,发现钝化后器件具有很好的连续扫描稳定性。综上,要想获得高性能的氢终端金刚石器件,首先需要高质量的金刚石薄膜,良好的氢等离子体处理工艺,从而实现高浓度和高迁移率的2DHG,还需要适当的金属作为欧姆接触和肖特基接触材料。本文在探索出较好氢终端处理的条件下,制备出了较高性能的长沟道氢终端金刚石MESFETs,给出了MESFET器件的高温退化现象,验证了采用MoO_3对器件进行表面钝化能够提高器件稳定性。
【图文】：

三维结构,晶胞,材料特性,金刚石

图1.1（a）金刚石的三维结构（b）金刚石的晶胞1.1.2金刚石的材料特性金刚石材料作为第四代宽禁带半导体，具有禁带宽度大，热导率高，载流子迁率高等一系列的优点，在高温、高频、高功率电子器件方面具有巨大的应用潜力[4-6]由于其材料特性优异，应用领域广，被认为是终极半导体。金刚石与其它常见半导材料特性对比结果如表 1.1 所示。表 1.1 常见半导体材料的材料参数[7]材料金刚石 GaN Si GaAs 4H-SiC禁带宽度 Eg（eV） 5.45 3.45 1.12 1.43 3.2相对介电常数 εr5.5 8.9 11.8 12.8 9.7

半导体材料,功率,金刚石

金刚石具备很大优势的热导率，，很大的击穿电场，在高温和高频微波器件领域有很不错的应用前景。在图1.2 中标示了金刚石在高频高功率领域的应用范围。图1.2不同半导体材料在对应频率和功率领域的应用1.2 金刚石材料的发展历程金刚石由于本身优异的材料特性，应用前景广阔，在 20 世纪初期就引起了人类对合成金刚石的探索，并在 1955 年，由美国 General Electric Company 的 Bundy 等人[10]第一次成功采用高温高压法（HTHP）把石墨当作原材料合成了首个金刚石颗粒，并在 1957 年进行工业化生产。随着时间的推移，人工制备金刚石工艺越来越完善。在 1982 年，Matsumoto 等人[11, 12]采用热丝化学气相淀积（HFCVD）法成功制?
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】