發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 20:18

　　 在半導(dǎo)體電子器件制備領(lǐng)域金剛石被譽(yù)為終極半導(dǎo)體材料。金剛石的禁帶寬度為5.5 eV,熱導(dǎo)率為22 W/(cm·K),擊穿電場(chǎng)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(zhì)因數(shù)高達(dá)3720,這些特點(diǎn)表明研究金剛石材料在微波功率器件方面的應(yīng)用具有重大的意義。近年來氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)管研究取得了顯著的進(jìn)展,尤其是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)在器件性能和熱穩(wěn)定性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)�；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(duì)MoO_3柵介質(zhì)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(shù)的Al_2O_3材料,首次制備了MoO_3/Al_2O_3雙層?xùn)沤橘|(zhì)氫終端多晶金剛石MOSFET器件。柵長(zhǎng)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(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。柵長(zhǎng)2μm器件的跨導(dǎo)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(nèi),柵極的泄漏電流被控制在10~(-9) A量級(jí)以下。輸出轉(zhuǎn)移特性測(cè)試結(jié)果顯示,在柵壓為-5 V時(shí),器件特性并未有明顯的退化。說明MoO_3/Al_2O_3雙層?xùn)沤橘|(zhì)器件在獲得高水平的輸出飽和電流的同時(shí),可以有效控制柵極漏電。2.測(cè)試了Al_2O_3和氫終端多晶金剛石表面的帶階,測(cè)試結(jié)果顯示Al_2O_3價(jià)帶和導(dǎo)帶分別位于氫終端多晶金剛石表面價(jià)帶下3.06 eV處和導(dǎo)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(zhì),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(jié)構(gòu)來研究其電特性。測(cè)試結(jié)果表明在+14 V到-8 V的偏壓范圍內(nèi),漏電都處于噪聲水平,低于10~(-10) A。MOS結(jié)構(gòu)的電容密度最大值為0.33μF/cm~2,變頻C-V測(cè)試沒有分散現(xiàn)象。仿真研究了Al_2O_3柵介質(zhì)零柵源間距器件特性,發(fā)現(xiàn)同樣?xùn)砰L(zhǎng)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(jié)構(gòu)器件。3.制備了Al_2O_3柵介質(zhì)零柵源間距和非零柵源間距結(jié)構(gòu)的柵長(zhǎng)2–6μm、柵寬50μm的三種不同尺寸器件。測(cè)試結(jié)果顯示,三種器件的柵極漏電極低,在柵極電壓±10 V范圍內(nèi)不超過10~(-9) A;開關(guān)比達(dá)到10~(10)-10~(11),處于國(guó)際領(lǐng)先水平;三種器件的漏極關(guān)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(zhì)擊穿電場(chǎng)達(dá)到5.6 MV/cm;而且,30次重復(fù)測(cè)試也沒有造成器件退化。這些都說明,Al_2O_3介質(zhì)的絕緣性高,鈍化效果好,電活性陷阱和缺陷少。輸出和轉(zhuǎn)移特性顯示,柵長(zhǎng)6μm零柵源間距器件的飽和輸出電流達(dá)到同等柵長(zhǎng)非零柵源間距器件的約2倍,和柵長(zhǎng)2μm非零柵源間距器件近似相等,并且零柵源間距器件的導(dǎo)通電阻最小,跨導(dǎo)最大。這些則說明,零柵源間距器件結(jié)構(gòu)溝道串聯(lián)電阻小,因此在大電流、高跨導(dǎo)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(zhì)因數(shù) JMOF 3720 790 1 11 中 Johnson 品質(zhì)因數(shù)[6]是判斷半導(dǎo)體材料是否適用于微波功率器件的Johnson 品質(zhì)因數(shù)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(chǎng)。 1.1 顯示了不同材料的器件所適用的范圍，不難發(fā)現(xiàn)金剛石在微波功力[7]。

終端金剛石表面導(dǎo)電溝道形成原理經(jīng)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(jì)。但是氫等離子處理過的金剛石表面因?yàn)闅浣K端金剛石表面載流子濃度變大。1979 年，Himpsel 等人對(duì)氫的電子親和勢(shì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氫終端金剛石表面具有負(fù)的電子親和子親和勢(shì)用以表征半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底能級(jí)和真能能級(jí)的能量差。負(fù)味著半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底能級(jí)比真空能級(jí)高，一旦電子被激發(fā)到導(dǎo)帶易就會(huì)逸出到真空。公式(2-1)為電子親和勢(shì)的計(jì)算公式χ=EVAC-EC式中的參數(shù)從左到右分別是半導(dǎo)體材料的電子親和勢(shì)、真空能級(jí)和導(dǎo)[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(shù)的介質(zhì)替代，高功函數(shù)的介質(zhì)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(shí),會(huì)堆積作用.這種條件下源漏電極之間會(huì)有良好的導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)器件就是利用柵電極對(duì)溝道層 2 DHG 堆器件的開與關(guān)。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(xué)氣相沉（MPCVD金剛石小組用于高質(zhì)量金剛石生長(zhǎng)的設(shè)備。在處理氫終端方面微波輸出功率，而且設(shè)備配備有分子泵，可以實(shí)現(xiàn)更高的真空
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