【摘要】：作為超寬帶隙半導(dǎo)體材料的典型代表,金剛石具有超寬的禁帶寬度、超高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、超高的熱導(dǎo)率、高載流子遷移率和飽和速度等優(yōu)越特性,是制作高功率、高頻率和高溫固態(tài)電子器件的理想材料,被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。然而,金剛石半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受到多個(gè)瓶頸問題制約,比如大尺寸高質(zhì)量金剛石半導(dǎo)體材料制備困難,金剛石n型和p型摻雜困難等等。金剛石的生長(zhǎng)機(jī)理極為復(fù)雜,當(dāng)前技術(shù)下單晶金剛石僅能通過同質(zhì)外延或高溫高壓法獲得,尺寸擴(kuò)大困難,而與之相比,多晶金剛石半導(dǎo)體材料具有大尺寸優(yōu)勢(shì),因此受到了研究人員的廣泛關(guān)注。采用氫等離子體處理后的多晶金剛石具有類似于異質(zhì)結(jié)二維電子氣的“二維空穴氣(2DHG)”,利用其制備的器件(俗稱氫終端器件)在功率、微波等領(lǐng)域展現(xiàn)出較強(qiáng)的特性。除了良好的半導(dǎo)體特性,多晶金剛石薄膜材料,特別是納米晶金剛石薄膜具有高導(dǎo)熱性和較高的表面平整度,方便引入半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)中,顯著提升器件的散熱能力。在此背景下,本文首先對(duì)多晶/納米晶金剛石半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)方法和工藝進(jìn)行了深入研究,實(shí)現(xiàn)了高純度、高平整度的納米晶金剛石薄膜制備。進(jìn)一步基于多晶金剛石材料開展了氫終端金剛石MOSFET器件結(jié)構(gòu)和工藝研究,實(shí)現(xiàn)了具有高輸出電流的氫終端MOSFET器件,該器件輸出電流密度達(dá)到了國際上已報(bào)道的同柵長(zhǎng)器件的先進(jìn)水平。本文的主要工作如下:1.基于微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MWPCVD)方法,首先系統(tǒng)研究了反應(yīng)過程中CH_4/H_2濃度比對(duì)納米晶金剛石薄膜純度、形貌、晶粒尺寸等關(guān)鍵參數(shù)的影響及機(jī)制,優(yōu)化得到了高純度、良好平整度的最佳工藝條件,然后采用Ar/H_2混合氣體替代純H_2作為載氣,進(jìn)一步提升了納米晶金剛石薄膜的純度與平整度。研究發(fā)現(xiàn):薄膜純度隨CH_4濃度的下降而提高,而在低CH_4濃度下降低程度不明顯。但過高或過低濃度的CH_4均會(huì)導(dǎo)致納米晶金剛石薄膜中有序晶疇尺寸的降低以及表面平整度的惡化,影響薄膜質(zhì)量。Ar具有較強(qiáng)的刻蝕作用,加入Ar后金剛石薄膜生長(zhǎng)呈現(xiàn)高二次形核率,與未采用Ar/H_2混合載氣的樣品相比具有更高表面平整度與純凈度。2.基于X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)技術(shù),通過測(cè)試:(1)多晶金剛石的芯能級(jí)C 1s及其價(jià)帶譜;(2)Al_2O_3(MoO_3)的芯能級(jí)Al 2p(Mo3d)及其價(jià)帶譜;(3)Al_2O_3(MoO_3)/多晶金剛石界面樣品的芯能級(jí)Al 2p(Mo 3d)及C 1s,并通過分析Al_2O_3及MoO_3的O 1s芯能級(jí)及其非彈性能量損失譜得到了兩種材料的禁帶寬度,從而得到了多晶金剛石與Al_2O_3及MoO_3的價(jià)帶帶階ΔE_v以及導(dǎo)帶帶階ΔE_c。從能帶結(jié)構(gòu)角度分析,由于Al_2O_3與多晶金剛石的價(jià)帶帶階更大且禁帶寬度更寬,因此更適合作為金剛石空穴器件的柵介質(zhì)。3.基于氫終端技術(shù)與原子層淀積(Atomic Layer Deposition,ALD)工藝,研究了采用不同溫度生長(zhǎng)Al_2O_3介質(zhì)制備的氫終端多晶金剛石MOSFET器件特性,通過表面溝道鈍化、Au掩模以及非自對(duì)準(zhǔn)柵工藝的應(yīng)用,獲得了輸出電流密度高達(dá)329 mA/mm,關(guān)斷擊穿電壓達(dá)到143V的氫終端器件,通過研究發(fā)現(xiàn),在Al_2O_3介質(zhì)生長(zhǎng)過程中,氫終端溝道對(duì)于溫度的變化十分敏感:較高溫度(300℃)下2DHG密度相比于較低溫度(200℃)降低約38%,溝道性能明顯退化。表面溝道上覆蓋Al_2O_3作為柵介質(zhì)和鈍化層的設(shè)計(jì)大大提高了器件的穩(wěn)定性。非自對(duì)準(zhǔn)柵工藝則明顯提高了器件的擊穿電壓。
【圖文】：

圖 1.1 所示的三維立體結(jié)構(gòu)。作為對(duì)比，石墨中每一原子層通過 π 鍵連接，而層與層之間通過范德華力相互吸引，形成了類三維結(jié)構(gòu)。圖1.1 金剛石結(jié)構(gòu)的原子排列示意圖1.1.2 金剛石的物理特性材料的物理性質(zhì)與其原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于金剛石碳原子之間的 C-C 共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)短強(qiáng)度高，很難被破壞，故而金剛石材料具有高硬度和高熔點(diǎn)的優(yōu)異性質(zhì)。高強(qiáng)

[46]，從亞穩(wěn)態(tài)的角度研究了 CVD 法金剛石的生長(zhǎng)原理。圖2.1 碳的 P-T 相圖理論認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的金剛石生長(zhǎng)，需要滿足以下條件[47]：（1） 亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)相比具有更高的生長(zhǎng)速率；（2） 亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)相比能量差不大；（3） 亞穩(wěn)態(tài)形核或生長(zhǎng)的活化勢(shì)壘與穩(wěn)態(tài)的形成勢(shì)壘相比接近或更低。金剛石的生長(zhǎng)過程由圖 2.2 表示。反應(yīng)室通入含碳?xì)怏w（如 CH4）和 H2，在外加能量的作用下，碳源分解形成多種活性基團(tuán)，如 H、CH、C2H、CH2、C2H2、CH3、C2H3、C2H4、C2H5、C2H6等等，其中 CH3和 C2H2基團(tuán)被大多數(shù)研究者認(rèn)可為金剛石的生長(zhǎng)基團(tuán)[48][49]，而同時(shí)氫氣也分解為氫原子。通過對(duì)流、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，各種活性基團(tuán)到達(dá)襯底表面，，在襯底表面發(fā)生反應(yīng)而沉積。根據(jù)碳的 P-T 相圖，在該生長(zhǎng)條件下反應(yīng)產(chǎn)物必然不唯一
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2686838