在半導體電子器件制備領域金剛石被譽為終極半導體材料。金剛石的禁帶寬度為5.5 eV,熱導率為22 W/(cm·K),擊穿電場大于20 MV/cm,電子遷移率為4500 cm~2/(V·s),空穴遷移率為3800 cm~2/(V·s),電子飽和速度為2.7×10~7 cm/s,Johnson品質因數高達3720,這些特點表明研究金剛石材料在微波功率器件方面的應用具有重大的意義。近年來氫終端金剛石場效應管研究取得了顯著的進展,尤其是金屬-絕緣體-半導體場效應管(MOSFET)在器件性能和熱穩(wěn)定性等方面具有明顯的優(yōu)勢�；谏鲜龅谋尘�,本文開展了氫終端多晶金剛石MOSFET器件的研究,主要工作和成果如下。1.針對MoO_3柵介質氫終端多晶金剛石MOSFET器件存在的柵極泄漏電流大、不耐高壓的問題,提出了優(yōu)化方案。利用了高介電常數的Al_2O_3材料,首次制備了MoO_3/Al_2O_3雙層柵介質氫終端多晶金剛石MOSFET器件。柵長2μm和4μm器件的最大輸出飽和電流密度分別為220 mA/mm和120 mA/mm,已經達到了國際領先水平。柵長2μm器件的跨導為56 mS/mm。器件的柵極漏電問題得到了極大的改善,在±5V的柵極電壓范圍內,柵極的泄漏電流被控制在10~(-9) A量級以下。輸出轉移特性測試結果顯示,在柵壓為-5 V時,器件特性并未有明顯的退化。說明MoO_3/Al_2O_3雙層柵介質器件在獲得高水平的輸出飽和電流的同時,可以有效控制柵極漏電。2.測試了Al_2O_3和氫終端多晶金剛石表面的帶階,測試結果顯示Al_2O_3價帶和導帶分別位于氫終端多晶金剛石表面價帶下3.06 eV處和導帶下1.96 eV處。表明Al_2O_3非常適合作為氫終端多晶金剛石FET器件的柵介質,Al_2O_3和氫終金剛石表面直接接觸可以有效的控制溝道電荷,還可以有效的抑制柵極漏電。制備了Al/Al_2O_3/氫終端多晶金剛石MOS結構來研究其電特性。測試結果表明在+14 V到-8 V的偏壓范圍內,漏電都處于噪聲水平,低于10~(-10) A。MOS結構的電容密度最大值為0.33μF/cm~2,變頻C-V測試沒有分散現象。仿真研究了Al_2O_3柵介質零柵源間距器件特性,發(fā)現同樣柵長下零柵源間距器件因源漏串聯(lián)電阻的減小,器件特性明顯優(yōu)于常規(guī)結構器件。3.制備了Al_2O_3柵介質零柵源間距和非零柵源間距結構的柵長2–6μm、柵寬50μm的三種不同尺寸器件。測試結果顯示,三種器件的柵極漏電極低,在柵極電壓±10 V范圍內不超過10~(-9) A;開關比達到10~(10)-10~(11),處于國際領先水平;三種器件的漏極關態(tài)擊穿電壓分別為-14 V、-146 V、-150 V,零柵源間距器件柵漏間介質擊穿電場達到5.6 MV/cm;而且,30次重復測試也沒有造成器件退化。這些都說明,Al_2O_3介質的絕緣性高,鈍化效果好,電活性陷阱和缺陷少。輸出和轉移特性顯示,柵長6μm零柵源間距器件的飽和輸出電流達到同等柵長非零柵源間距器件的約2倍,和柵長2μm非零柵源間距器件近似相等,并且零柵源間距器件的導通電阻最小,跨導最大。這些則說明,零柵源間距器件結構溝道串聯(lián)電阻小,因此在大電流、高跨導方面具有顯著的優(yōu)勢。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

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 品質因數 JMOF 3720 790 1 11 中 Johnson 品質因數[6]是判斷半導體材料是否適用于微波功率器件的Johnson 品質因數如公式(1-1)所示JFOM=(EBRvSAT2π)2中 vsat為電子飽和速度， EBR為擊穿電場。 1.1 顯示了不同材料的器件所適用的范圍，不難發(fā)現金剛石在微波功力[7]。

終端金剛石表面導電溝道形成原理經任何處理的天然金剛石是絕緣體，金剛石的禁帶寬度為 5.5 eV，室征載流子濃度幾乎可以忽略不計。但是氫等離子處理過的金剛石表面因為氫終端金剛石表面載流子濃度變大。1979 年，Himpsel 等人對氫的電子親和勢進行了研究，發(fā)現氫終端金剛石表面具有負的電子親和子親和勢用以表征半導體材料的導帶底能級和真能能級的能量差。負味著半導體材料的導帶底能級比真空能級高，一旦電子被激發(fā)到導帶易就會逸出到真空。公式(2-1)為電子親和勢的計算公式χ=EVAC-EC式中的參數從左到右分別是半導體材料的電子親和勢、真空能級和導[67]顯示的是懸空終端金剛石，氫終端金剛石和氧終端金剛石表面的原能帶圖。

氫終端金剛石表面存在電偶極層，在電偶極層的上方存使氫終端金剛石表面下 10 nm 處，形成 2 DHG，2 DHG 是氫。吸附層可以被高功函數的介質替代，高功函數的介質可以在更高濃度的 2 DHG。氫終端金剛石 FET 在柵壓正向偏置時,會堆積作用.這種條件下源漏電極之間會有良好的導電性，柵壓剛石表面的空穴有耗盡作用，這種條件下源漏電極之間電阻極氫終端金剛石場效應器件就是利用柵電極對溝道層 2 DHG 堆器件的開與關。氫終端金剛石表面被統(tǒng)一的覆蓋上一層 C-H 表面的界面態(tài)與表面態(tài)都很小，極大有利于器件的制備。石表面氫化處理工藝表面的氫化處理使用的是微波等離子體化學氣相沉（MPCVD金剛石小組用于高質量金剛石生長的設備。在處理氫終端方面微波輸出功率，而且設備配備有分子泵，可以實現更高的真空
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 薄昊楠;丘志力;陸太進;陳華;黃遠成;鄧小芹;馬瑛;楊瀚;錢佳琪;;湖南沅水砂礦金剛石類型、形貌學特征及其對形成過程的指示[J];中山大學學報(自然科學版);2019年02期

2 于金庫,楊雪梅;金剛石表面電鍍鉻新工藝[J];物理測試;2002年03期

3 鄧福銘;超高壓高溫燒結中金剛石表面石墨化過程再研究[J];高壓物理學報;2001年03期

4 陳�？�,潘秉鎖,胡國榮,楊凱華;金剛石表面沉積鈦金屬膜的研究[J];地質與勘探;2000年02期

5 胡國榮,彭忠東,鄧朝陽,周貴海;金剛石表面化學鍍預處理研究[J];電鍍與環(huán)保;1999年04期

6 胡國榮,楊凱華,湯鳳林,金繼紅;金剛石表面電鍍鐵鎢合金的研究[J];電鍍與涂飾;1999年02期

7 王嵐,高學緒;金剛石表面的金屬化[J];北京科技大學學報;1997年05期

8 楊凱華，段隆臣，湯鳳林;金剛石表面鍍鎳試驗研究[J];地球科學;1997年01期

9 ;金剛石的精密激光加工[J];國外激光;1994年12期

10 羅春平,孟革,齊上雪,林彰達;原子氫與金剛石表面的相互作用[J];物理學報;1991年04期

相關博士學位論文 前10條

1 張洪迪;表面金屬化金剛石/銅復合材料導熱模型、界面結構與熱變形行為研究[D];上海交通大學;2018年

2 王曙光;金剛石/石墨復合納米片的外延生長與電化學性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

3 王紅軍;金剛石微機械零件復印制備機理研究[D];南京航空航天大學;2017年

4 閆雄伯;CVD金剛石自支撐膜的高溫石墨化行為研究[D];北京科技大學;2019年

5 潘彥鵬;雙鍍層法制備金剛石/銅復合材料及其性能研究[D];北京科技大學;2019年

6 安康;等離子體噴射金剛石膜板力學性能基礎研究[D];北京科技大學;2019年

7 王魯華;銅/金剛石復合材料的界面結構與導熱性能[D];北京科技大學;2019年

8 任澤陽;CVD金剛石材料生長及氫終端金剛石場效應晶體管研究[D];西安電子科技大學;2018年

9 張文龍;金剛石表面處理對淺層NV中心自旋相干性影響[D];中國科學技術大學;2019年

10 劉曉云;碳/鋁復合材料的制備及熱傳導機理研究[D];東北大學;2017年

相關碩士學位論文 前10條

1 吳金鑫;基于MPCVD的金剛石納米結構陣列制備工藝研究[D];南京航空航天大學;2018年

2 馬蘭州;CVD金剛石微銑刀的復合制備工藝研究[D];南京航空航天大學;2019年

3 盧叢陽;機械合金化法制備金剛石/銅復合涂層的研究[D];南京航空航天大學;2019年

4 畢明浩;金屬催化氫等離子體刻蝕制備3D金剛石日盲探測器的方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

5 吳立強;金剛石圓錐壓頭機械研磨效率建模與精度控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

6 喬毅;金剛石/Fe_3O_4磁性聚集磨料的制備及應用研究[D];河南工業(yè)大學;2019年

7 陳萬嬌;金剛石增強型場效應器件特性研究[D];西安電子科技大學;2019年

8 袁冠生;氫終端多晶金剛石MOSFET器件制備和特性研究[D];西安電子科技大學;2019年

9 劉魯生;多功能熱絲化學氣相沉積金剛石涂層制備設備的設計與實驗研究[D];沈陽建筑大學;2018年

10 陳金昶;金剛石釬焊用Sn-Cu-Cr活性釬料合金的開發(fā)研究[D];華僑大學;2019年

本文編號：2882596