【摘要】：為了滿(mǎn)足對(duì)于航空航天、工業(yè)燃油渦輪機(jī)、石油與天然氣等工業(yè)領(lǐng)域的探索,滿(mǎn)足在高溫環(huán)境下傳感器測(cè)試以及讀取系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,制造出能夠滿(mǎn)足在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的電子器件是目前亟待攻克的難關(guān)。常規(guī)的電力系統(tǒng)無(wú)法在高溫下工作,因?yàn)榘雽?dǎo)體硅的PN結(jié)在150℃以上會(huì)失效。碳化硅是被報(bào)道的可替換的耐高溫半導(dǎo)體材料,碳化硅器件的工作溫度可以達(dá)到較高的溫度,但碳化硅器件在與其他耐高溫襯底如陶瓷襯底集成制備方面國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道。本文根據(jù)前述應(yīng)用需求,提出了一種以藍(lán)寶石Al_2O_3為襯底的薄膜晶體管(TFT)器件,氧化物半導(dǎo)體材料選擇a-IGZO,在293-523K的溫度下進(jìn)行了測(cè)試,并制造了基于TFT的數(shù)字邏輯門(mén)電路進(jìn)行波形驗(yàn)證。為后續(xù)非硅基高溫半導(dǎo)體器件的研究及與傳感器的集成開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了思路。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.本文首先介紹了a-IGZO氧化物半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理,以及薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理,提出了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu),用于在高溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。2.制備過(guò)程中在藍(lán)寶石Al_2O_3襯底上制造了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的TFT,并在293-523K溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)測(cè)試結(jié)果的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性曲線分析并提取參數(shù),得到器件的特征參數(shù)與溫度的關(guān)系,并進(jìn)行理論分析,為后續(xù)數(shù)字邏輯門(mén)電路的高溫驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。3.NAND和NOR門(mén)等電路是現(xiàn)代數(shù)字集成電路中的一些基本構(gòu)建模塊。通過(guò)制造多個(gè)薄膜晶體管組成的反相器、NAND和NOR門(mén)電路并在不同頻率,不同溫度以及不同輸入波形的情況下進(jìn)行驗(yàn)證,得出以上電路在高溫環(huán)境下基于相應(yīng)的輸入邏輯均返回正確的邏輯輸出信號(hào),使得我們能夠通過(guò)混合電路設(shè)計(jì)進(jìn)一步探索更復(fù)雜的數(shù)字電路。
【圖文】：

除了航空航天領(lǐng)域外，石油與天然氣的勘測(cè)、開(kāi)采是另一個(gè)對(duì)電力系統(tǒng)的提出的行業(yè)。在這些鉆井的設(shè)備中，需要對(duì)地底的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，因此其探測(cè)設(shè)備設(shè)備等同樣需要很高的可靠性。但這些設(shè)備通常在很深的地底，需要承受很高壓力，普通的探測(cè)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)試要求，因此對(duì)于高溫下的電子器件的研究需求，圖 1.1 為電子器件在高溫下的應(yīng)用。常規(guī)的電力系統(tǒng)之所以無(wú)法在高溫下工作，是由于芯片中的半導(dǎo)體硅的 PN℃以上時(shí)會(huì)失效[10]。為了解決這一問(wèn)題，研究者們?cè)诜e極尋找可代替的半導(dǎo)體硅器件的工作溫度可以達(dá)到較高溫度，但若周邊驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法在高溫下工作，一樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些環(huán)境的測(cè)試需求[11]-[15]，因此碳化硅的逐漸普及對(duì)高溫半導(dǎo)需求也隨之大大增加，，因此本文所要設(shè)計(jì)的耐高溫的薄膜晶體管具有很重要的中設(shè)計(jì)的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管基于陶瓷基底，由于其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)以及耐能被廣泛應(yīng)用于耐高溫器件中[16]。

(d) (e)圖 1.2 (a) Mika l Cassé 設(shè)計(jì)的原理圖結(jié)構(gòu)；(b) 納米線的 TEM 圖(a) (b) (c)圖 1.3 Rajesh Saha 等人的結(jié)構(gòu)及研究結(jié)果了利用 SOI 結(jié)構(gòu)來(lái)提高硅基半導(dǎo)體材料的工作溫度外，研究發(fā)現(xiàn)有些半導(dǎo)體材服硅的缺點(diǎn)，使得該半導(dǎo)體器件的工作溫度在 150 攝氏度以上，這類(lèi)半導(dǎo)體材下依然具有良好的機(jī)械性能以及導(dǎo)熱性能，載流子濃度較低，很適合作為高溫件的材料，碳化硅(Silicon Carbide)正是其中的一種。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN321.5

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