多晶金刚石半导体材料及MOSFET器件研究

发布时间：2020-05-29 11:05

【摘要】：作为超宽带隙半导体材料的典型代表,金刚石具有超宽的禁带宽度、超高的击穿场强、超高的热导率、高载流子迁移率和饱和速度等优越特性,是制作高功率、高频率和高温固态电子器件的理想材料,被誉为“终极半导体”。然而,金刚石半导体器件的发展一直受到多个瓶颈问题制约,比如大尺寸高质量金刚石半导体材料制备困难,金刚石n型和p型掺杂困难等等。金刚石的生长机理极为复杂,当前技术下单晶金刚石仅能通过同质外延或高温高压法获得,尺寸扩大困难,而与之相比,多晶金刚石半导体材料具有大尺寸优势,因此受到了研究人员的广泛关注。采用氢等离子体处理后的多晶金刚石具有类似于异质结二维电子气的“二维空穴气(2DHG)”,利用其制备的器件(俗称氢终端器件)在功率、微波等领域展现出较强的特性。除了良好的半导体特性,多晶金刚石薄膜材料,特别是纳米晶金刚石薄膜具有高导热性和较高的表面平整度,方便引入半导体功率器件结构中,显著提升器件的散热能力。在此背景下,本文首先对多晶/纳米晶金刚石半导体材料的生长方法和工艺进行了深入研究,实现了高纯度、高平整度的纳米晶金刚石薄膜制备。进一步基于多晶金刚石材料开展了氢终端金刚石MOSFET器件结构和工艺研究,实现了具有高输出电流的氢终端MOSFET器件,该器件输出电流密度达到了国际上已报道的同栅长器件的先进水平。本文的主要工作如下:1.基于微波等离子体化学气相淀积(MWPCVD)方法,首先系统研究了反应过程中CH_4/H_2浓度比对纳米晶金刚石薄膜纯度、形貌、晶粒尺寸等关键参数的影响及机制,优化得到了高纯度、良好平整度的最佳工艺条件,然后采用Ar/H_2混合气体替代纯H_2作为载气,进一步提升了纳米晶金刚石薄膜的纯度与平整度。研究发现:薄膜纯度随CH_4浓度的下降而提高,而在低CH_4浓度下降低程度不明显。但过高或过低浓度的CH_4均会导致纳米晶金刚石薄膜中有序晶畴尺寸的降低以及表面平整度的恶化,影响薄膜质量。Ar具有较强的刻蚀作用,加入Ar后金刚石薄膜生长呈现高二次形核率,与未采用Ar/H_2混合载气的样品相比具有更高表面平整度与纯净度。2.基于X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)技术,通过测试:(1)多晶金刚石的芯能级C 1s及其价带谱;(2)Al_2O_3(MoO_3)的芯能级Al 2p(Mo3d)及其价带谱;(3)Al_2O_3(MoO_3)/多晶金刚石界面样品的芯能级Al 2p(Mo 3d)及C 1s,并通过分析Al_2O_3及MoO_3的O 1s芯能级及其非弹性能量损失谱得到了两种材料的禁带宽度,从而得到了多晶金刚石与Al_2O_3及MoO_3的价带带阶ΔE_v以及导带带阶ΔE_c。从能带结构角度分析,由于Al_2O_3与多晶金刚石的价带带阶更大且禁带宽度更宽,因此更适合作为金刚石空穴器件的栅介质。3.基于氢终端技术与原子层淀积(Atomic Layer Deposition,ALD)工艺,研究了采用不同温度生长Al_2O_3介质制备的氢终端多晶金刚石MOSFET器件特性,通过表面沟道钝化、Au掩模以及非自对准栅工艺的应用,获得了输出电流密度高达329 mA/mm,关断击穿电压达到143V的氢终端器件,通过研究发现,在Al_2O_3介质生长过程中,氢终端沟道对于温度的变化十分敏感:较高温度(300℃)下2DHG密度相比于较低温度(200℃)降低约38%,沟道性能明显退化。表面沟道上覆盖Al_2O_3作为栅介质和钝化层的设计大大提高了器件的稳定性。非自对准栅工艺则明显提高了器件的击穿电压。
【图文】：

示意图,金刚石结构,原子排列,示意图

图 1.1 所示的三维立体结构。作为对比，石墨中每一原子层通过 π 键连接，而层与层之间通过范德华力相互吸引，形成了类三维结构。图1.1 金刚石结构的原子排列示意图1.1.2 金刚石的物理特性材料的物理性质与其原子结构密切相关。由于金刚石碳原子之间的 C-C 共价键键长短强度高，很难被破坏，故而金刚石材料具有高硬度和高熔点的优异性质。高强

相图,亚稳态,活性基团,生长基团

[46]，从亚稳态的角度研究了 CVD 法金刚石的生长原理。图2.1 碳的 P-T 相图理论认为，为了实现亚稳态的金刚石生长，需要满足以下条件[47]：（1）亚稳态与稳态相比具有更高的生长速率；（2）亚稳态与稳态相比能量差不大；（3）亚稳态形核或生长的活化势垒与稳态的形成势垒相比接近或更低。金刚石的生长过程由图 2.2 表示。反应室通入含碳气体（如 CH4）和 H2，在外加能量的作用下，碳源分解形成多种活性基团，如 H、CH、C2H、CH2、C2H2、CH3、C2H3、C2H4、C2H5、C2H6等等，其中 CH3和 C2H2基团被大多数研究者认可为金刚石的生长基团[48][49]，而同时氢气也分解为氢原子。通过对流、扩散运动，各种活性基团到达衬底表面，，在衬底表面发生反应而沉积。根据碳的 P-T 相图，在该生长条件下反应产物必然不唯一
【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】：TN386.1

【参考文献】