氢终端多晶金刚石MOSFET器件制备和特性研究

发布时间：2020-11-13 20:18

　　 在半导体电子器件制备领域金刚石被誉为终极半导体材料。金刚石的禁带宽度为5.5 eV,热导率为22 W/(cm·K),击穿电场大于20 MV/cm,电子迁移率为4500 cm~2/(V·s),空穴迁移率为3800 cm~2/(V·s),电子饱和速度为2.7×10~7 cm/s,Johnson品质因数高达3720,这些特点表明研究金刚石材料在微波功率器件方面的应用具有重大的意义。近年来氢终端金刚石场效应管研究取得了显著的进展,尤其是金属-绝缘体-半导体场效应管(MOSFET)在器件性能和热稳定性等方面具有明显的优势。基于上述的背景,本文开展了氢终端多晶金刚石MOSFET器件的研究,主要工作和成果如下。1.针对MoO_3栅介质氢终端多晶金刚石MOSFET器件存在的栅极泄漏电流大、不耐高压的问题,提出了优化方案。利用了高介电常数的Al_2O_3材料,首次制备了MoO_3/Al_2O_3双层栅介质氢终端多晶金刚石MOSFET器件。栅长2μm和4μm器件的最大输出饱和电流密度分别为220 mA/mm和120 mA/mm,已经达到了国际领先水平。栅长2μm器件的跨导为56 mS/mm。器件的栅极漏电问题得到了极大的改善,在±5V的栅极电压范围内,栅极的泄漏电流被控制在10~(-9) A量级以下。输出转移特性测试结果显示,在栅压为-5 V时,器件特性并未有明显的退化。说明MoO_3/Al_2O_3双层栅介质器件在获得高水平的输出饱和电流的同时,可以有效控制栅极漏电。2.测试了Al_2O_3和氢终端多晶金刚石表面的带阶,测试结果显示Al_2O_3价带和导带分别位于氢终端多晶金刚石表面价带下3.06 eV处和导带下1.96 eV处。表明Al_2O_3非常适合作为氢终端多晶金刚石FET器件的栅介质,Al_2O_3和氢终金刚石表面直接接触可以有效的控制沟道电荷,还可以有效的抑制栅极漏电。制备了Al/Al_2O_3/氢终端多晶金刚石MOS结构来研究其电特性。测试结果表明在+14 V到-8 V的偏压范围内,漏电都处于噪声水平,低于10~(-10) A。MOS结构的电容密度最大值为0.33μF/cm~2,变频C-V测试没有分散现象。仿真研究了Al_2O_3栅介质零栅源间距器件特性,发现同样栅长下零栅源间距器件因源漏串联电阻的减小,器件特性明显优于常规结构器件。3.制备了Al_2O_3栅介质零栅源间距和非零栅源间距结构的栅长2–6μm、栅宽50μm的三种不同尺寸器件。测试结果显示,三种器件的栅极漏电极低,在栅极电压±10 V范围内不超过10~(-9) A;开关比达到10~(10)-10~(11),处于国际领先水平;三种器件的漏极关态击穿电压分别为-14 V、-146 V、-150 V,零栅源间距器件栅漏间介质击穿电场达到5.6 MV/cm;而且,30次重复测试也没有造成器件退化。这些都说明,Al_2O_3介质的绝缘性高,钝化效果好,电活性陷阱和缺陷少。输出和转移特性显示,栅长6μm零栅源间距器件的饱和输出电流达到同等栅长非零栅源间距器件的约2倍,和栅长2μm非零栅源间距器件近似相等,并且零栅源间距器件的导通电阻最小,跨导最大。这些则说明,零栅源间距器件结构沟道串联电阻小,因此在大电流、高跨导方面具有显著的优势。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

和速度 vs（×107cm/s） 2.7 2.5 1 1 移率 μn（cm2/V·s） 4500 900 1500 6000 移率 μp（cm2/V·s） 3800 10 600 400 率 κ（W/cm·K） 20 1.3-2.1 1.5 0.5 son 品质因数 JMOF 3720 790 1 11 中 Johnson 品质因数[6]是判断半导体材料是否适用于微波功率器件的Johnson 品质因数如公式(1-1)所示JFOM=(EBRvSAT2π)2中 vsat为电子饱和速度， EBR为击穿电场。 1.1 显示了不同材料的器件所适用的范围，不难发现金刚石在微波功力[7]。

终端金刚石表面导电沟道形成原理经任何处理的天然金刚石是绝缘体，金刚石的禁带宽度为 5.5 eV，室征载流子浓度几乎可以忽略不计。但是氢等离子处理过的金刚石表面因为氢终端金刚石表面载流子浓度变大。1979 年，Himpsel 等人对氢的电子亲和势进行了研究，发现氢终端金刚石表面具有负的电子亲和子亲和势用以表征半导体材料的导带底能级和真能能级的能量差。负味着半导体材料的导带底能级比真空能级高，一旦电子被激发到导带易就会逸出到真空。公式(2-1)为电子亲和势的计算公式χ=EVAC-EC式中的参数从左到右分别是半导体材料的电子亲和势、真空能级和导[67]显示的是悬空终端金刚石，氢终端金刚石和氧终端金刚石表面的原能带图。

氢终端金刚石表面存在电偶极层，在电偶极层的上方存使氢终端金刚石表面下 10 nm 处，形成 2 DHG，2 DHG 是氢。吸附层可以被高功函数的介质替代，高功函数的介质可以在更高浓度的 2 DHG。氢终端金刚石 FET 在栅压正向偏置时,会堆积作用.这种条件下源漏电极之间会有良好的导电性，栅压刚石表面的空穴有耗尽作用，这种条件下源漏电极之间电阻极氢终端金刚石场效应器件就是利用栅电极对沟道层 2 DHG 堆器件的开与关。氢终端金刚石表面被统一的覆盖上一层 C-H 表面的界面态与表面态都很小，极大有利于器件的制备。石表面氢化处理工艺表面的氢化处理使用的是微波等离子体化学气相沉（MPCVD金刚石小组用于高质量金刚石生长的设备。在处理氢终端方面微波输出功率，而且设备配备有分子泵，可以实现更高的真空
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 薄昊楠;丘志力;陆太进;陈华;黄远成;邓小芹;马瑛;杨瀚;钱佳琪;;湖南沅水砂矿金刚石类型、形貌学特征及其对形成过程的指示[J];中山大学学报(自然科学版);2019年02期

2 于金库,杨雪梅;金刚石表面电镀铬新工艺[J];物理测试;2002年03期

3 邓福铭;超高压高温烧结中金刚石表面石墨化过程再研究[J];高压物理学报;2001年03期

4 陈裕康,潘秉锁,胡国荣,杨凯华;金刚石表面沉积钛金属膜的研究[J];地质与勘探;2000年02期

5 胡国荣,彭忠东,邓朝阳,周贵海;金刚石表面化学镀预处理研究[J];电镀与环保;1999年04期

6 胡国荣,杨凯华,汤凤林,金继红;金刚石表面电镀铁钨合金的研究[J];电镀与涂饰;1999年02期

7 王岚,高学绪;金刚石表面的金属化[J];北京科技大学学报;1997年05期

8 杨凯华，段隆臣，汤凤林;金刚石表面镀镍试验研究[J];地球科学;1997年01期

9 ;金刚石的精密激光加工[J];国外激光;1994年12期

10 罗春平,孟革,齐上雪,林彰达;原子氢与金刚石表面的相互作用[J];物理学报;1991年04期

相关博士学位论文 前10条

1 张洪迪;表面金属化金刚石/铜复合材料导热模型、界面结构与热变形行为研究[D];上海交通大学;2018年

2 王曙光;金刚石/石墨复合纳米片的外延生长与电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

3 王红军;金刚石微机械零件复印制备机理研究[D];南京航空航天大学;2017年

4 闫雄伯;CVD金刚石自支撑膜的高温石墨化行为研究[D];北京科技大学;2019年

5 潘彦鹏;双镀层法制备金刚石/铜复合材料及其性能研究[D];北京科技大学;2019年

6 安康;等离子体喷射金刚石膜板力学性能基础研究[D];北京科技大学;2019年

7 王鲁华;铜/金刚石复合材料的界面结构与导热性能[D];北京科技大学;2019年

8 任泽阳;CVD金刚石材料生长及氢终端金刚石场效应晶体管研究[D];西安电子科技大学;2018年

9 张文龙;金刚石表面处理对浅层NV中心自旋相干性影响[D];中国科学技术大学;2019年

10 刘晓云;碳/铝复合材料的制备及热传导机理研究[D];东北大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴金鑫;基于MPCVD的金刚石纳米结构阵列制备工艺研究[D];南京航空航天大学;2018年

2 马兰州;CVD金刚石微铣刀的复合制备工艺研究[D];南京航空航天大学;2019年

3 卢丛阳;机械合金化法制备金刚石/铜复合涂层的研究[D];南京航空航天大学;2019年

4 毕明浩;金属催化氢等离子体刻蚀制备3D金刚石日盲探测器的方法研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

5 吴立强;金刚石圆锥压头机械研磨效率建模与精度控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

6 乔毅;金刚石/Fe_3O_4磁性聚集磨料的制备及应用研究[D];河南工业大学;2019年

7 陈万娇;金刚石增强型场效应器件特性研究[D];西安电子科技大学;2019年

8 袁冠生;氢终端多晶金刚石MOSFET器件制备和特性研究[D];西安电子科技大学;2019年

9 刘鲁生;多功能热丝化学气相沉积金刚石涂层制备设备的设计与实验研究[D];沈阳建筑大学;2018年

10 陈金昶;金刚石钎焊用Sn-Cu-Cr活性钎料合金的开发研究[D];华侨大学;2019年

本文编号：2882596