【摘要】：金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料,由于其擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、載流子遷移率高等特性,被認為是終極半導(dǎo)體,可應(yīng)用于高溫、高頻率和高功率器件。金剛石的n型和p型摻雜室溫下難以激活,而氫終端金剛石在室溫下可形成二維空穴氣,獲得p型表面電導(dǎo)。因此,目前金剛石電子器件的核心結(jié)構(gòu)是氫終端金剛石場效應(yīng)管(FET)。在氫終端金剛石器件領(lǐng)域,仍有許多問題需要突破,包括如何提高器件的穩(wěn)定性、2DHG濃度、耐高溫性、頻率特性等。國內(nèi)對金剛石電子器件目前還研究較少。作者開展了氫終端金剛石FET的初步研究,主要研究內(nèi)容與成果如下:1.利用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)設(shè)備在鉬襯底上制備出了2英寸、質(zhì)量較高的多晶金剛石薄膜。2.利用MPCVD設(shè)備對多片金剛石薄膜進行氫等離子體處理、形成氫終端,找出氫終端表面制備的最優(yōu)條件,并發(fā)現(xiàn)處理時長與金剛石表面粗糙度的關(guān)系,以及在相同處理條件下,純度高的金剛石表面電阻更小,所以高質(zhì)量的金剛石薄膜是制備高性能器件的必要條件。3.采用高質(zhì)量、大面積的多晶金剛石薄膜,利用Au和Al與氫終端金剛石形成歐姆接觸和肖特基接觸,成功制備了氫終端金剛石MESFETs。柵長2μm和4μm的器件的特性達到國際水平,有寬闊的高跨導(dǎo)區(qū)和低導(dǎo)通電阻。分析發(fā)現(xiàn)較高的溝道載流子濃度1.56×10~(13) cm~(-2)和在大范圍柵壓內(nèi)的高水平遷移率170 cm~2/(Vs)是獲得器件寬跨導(dǎo)峰和低導(dǎo)通電阻的原因。寬闊的高跨導(dǎo)區(qū)有利于實現(xiàn)高的頻率特性和高線性的微波功率放大,柵長2μm的器件頻率特性f_T和f_(max)分別為1.5 GHz和3.3 GHz。4.測試分析了國產(chǎn)多晶金剛石上制備的柵長2μm的氫終端MESFET器件的變溫特性,發(fā)現(xiàn)沒有表面介質(zhì)保護的器件在200℃時出現(xiàn)特性的退化,其原因可能由于在高溫情況下氫終端金剛石表面吸附的帶電離子出現(xiàn)解吸附現(xiàn)象,導(dǎo)致器件的溝道2DHG密度降低,性能退化。最后,采用轉(zhuǎn)移摻雜介質(zhì)MoO_3將MESFET器件鈍化后,對其輸出特性進行連續(xù)三次測量,發(fā)現(xiàn)鈍化后器件具有很好的連續(xù)掃描穩(wěn)定性。綜上,要想獲得高性能的氫終端金剛石器件,首先需要高質(zhì)量的金剛石薄膜,良好的氫等離子體處理工藝,從而實現(xiàn)高濃度和高遷移率的2DHG,還需要適當(dāng)?shù)慕饘僮鳛闅W姆接觸和肖特基接觸材料。本文在探索出較好氫終端處理的條件下,制備出了較高性能的長溝道氫終端金剛石MESFETs,給出了MESFET器件的高溫退化現(xiàn)象,驗證了采用MoO_3對器件進行表面鈍化能夠提高器件穩(wěn)定性。
【圖文】：

圖1.1（a）金剛石的三維結(jié)構(gòu) （b）金剛石的晶胞1.1.2金剛石的材料特性金剛石材料作為第四代寬禁帶半導(dǎo)體，具有禁帶寬度大，熱導(dǎo)率高，載流子遷率高等一系列的優(yōu)點，在高溫、高頻、高功率電子器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力[4-6]由于其材料特性優(yōu)異，應(yīng)用領(lǐng)域廣，被認為是終極半導(dǎo)體。金剛石與其它常見半導(dǎo)材料特性對比結(jié)果如表 1.1 所示。表 1.1 常見半導(dǎo)體材料的材料參數(shù)[7]材料 金剛石 GaN Si GaAs 4H-SiC禁帶寬度 Eg（eV） 5.45 3.45 1.12 1.43 3.2相對介電常數(shù) εr5.5 8.9 11.8 12.8 9.7

金剛石具備很大優(yōu)勢的熱導(dǎo)率，，很大的擊穿電場，在高溫和高頻微波器件領(lǐng)域有很不錯的應(yīng)用前景。在圖1.2 中標示了金剛石在高頻高功率領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。圖1.2不同半導(dǎo)體材料在對應(yīng)頻率和功率領(lǐng)域的應(yīng)用1.2 金剛石材料的發(fā)展歷程金剛石由于本身優(yōu)異的材料特性，應(yīng)用前景廣闊，在 20 世紀初期就引起了人類對合成金剛石的探索，并在 1955 年，由美國 General Electric Company 的 Bundy 等人[10]第一次成功采用高溫高壓法（HTHP）把石墨當(dāng)作原材料合成了首個金剛石顆粒，并在 1957 年進行工業(yè)化生產(chǎn)。隨著時間的推移，人工制備金剛石工藝越來越完善。在 1982 年，Matsumoto 等人[11, 12]采用熱絲化學(xué)氣相淀積（HFCVD）法成功制?
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 房超;賈曉鵬;顏丙敏;陳寧;李亞東;陳良超;郭龍鎖;馬紅安;;高溫高壓下氮氫協(xié)同摻雜對{100}晶面生長寶石級金剛石的影響[J];物理學(xué)報;2015年22期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李博;MPCVD法制備光學(xué)級多晶金剛石膜及同質(zhì)外延金剛石單晶[D];吉林大學(xué);2008年

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1 王啟亮;MPCVD法制備多晶和單晶金剛石及性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2009年

本文編號：2653606