【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,國(guó)防軍事、汽車電子、航空航天、工業(yè)電氣自動(dòng)化、燃料電池等領(lǐng)域越來(lái)越需要高溫氣敏傳感器的發(fā)展來(lái)推進(jìn)技術(shù)的革新,然而以硅為主體的器件多用于低溫低頻條件下,無(wú)法適用于高溫條件下,因此,以碳化硅為基底的高溫氣敏傳感器的研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),特別是金屬-絕緣層-半導(dǎo)體肖特基二極管(MIS SBD)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作、易于集成、外圍電路簡(jiǎn)單等更是成為研究的重點(diǎn)。但是在過去的研究中,研究者多以氧化物作為SiC基高溫氣敏傳感器的絕緣層,這樣的絕緣層熱導(dǎo)率低、與襯底的晶格失配較為嚴(yán)重、不能承受更高的溫度環(huán)境,造成傳感器可靠性低、應(yīng)用范圍有限。本文設(shè)計(jì)了以氮化鋁作為傳感器絕緣層、以4H-SiC為基底的金屬-絕緣層-SiC肖特基(MISiC SBD)高溫氫敏傳感器,改善了絕緣層與半導(dǎo)體晶格失配嚴(yán)重的問題,提高了高溫條件下傳感器的靈敏度和可靠性。本文主要研究了傳感器敏感機(jī)理,仿真和分析了傳感器敏感特性和高溫特性,優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了傳感器工藝過程并開展了部分實(shí)驗(yàn)研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)討論傳感器的工作原理,探究傳感器各層材料的作用,確定各層材料的選擇,建立傳感器結(jié)構(gòu),主要包括4H-SiC襯底、4H-SiC外延層、氮化鋁絕緣層、正面和背面緩沖層、正面和背面電極。(2)建立傳感器理論模型和仿真模型。首先,分析傳感器的氫敏物理模型,包括:氫氣解析吸附模型、電流傳輸模型、勢(shì)壘高度模型等。其次簡(jiǎn)化仿真模型結(jié)構(gòu),省略起粘附作用的緩沖層,正面電極簡(jiǎn)化為肖特基接觸,背面電極簡(jiǎn)化為歐姆接觸。最后,使用相應(yīng)仿真模型,包括:半導(dǎo)體基本方程組、遷移率模型、禁帶寬度變窄模型、俄歇復(fù)合和直接復(fù)合模型、隧穿模型等,對(duì)傳感器進(jìn)行仿真研究。(3)研究和分析溫度、氫氣濃度和絕緣層厚度對(duì)傳感器I-V輸出特性的影響,確定傳感器最優(yōu)絕緣層厚度。結(jié)果表明,當(dāng)溫度小于573K時(shí),溫度升高,由于催化金屬的作用,生成極化層的氫原子增多,勢(shì)壘高度變小,傳感器電流變大,當(dāng)溫度位于573K和773K之間時(shí),溫度升高,一部分氫原子與氧原子結(jié)合生成水,勢(shì)壘高度變大,傳感器電流變小;氫氣濃度上升,勢(shì)壘高度變小,傳感器的電流隨之增大;絕緣層厚度增大,減少了通過絕緣層的電子數(shù)目,引起傳感器輸出電流的減小。提取仿真數(shù)據(jù),得到傳感器電流分辨率和靈敏度與絕緣層厚度的關(guān)系。結(jié)果顯示,增大絕緣層厚度,電流分辨率減小,靈敏度增大。根據(jù)傳感器在高溫應(yīng)用下,電流分辨率應(yīng)大于1mA,電流靈敏度大于40%的條件,確定了傳感器的最優(yōu)絕緣層厚度區(qū)間為1.45-2.32nm。最終選定絕緣層厚度為2nm,仿真分析了傳感器在溫度為573K條件下氫氣濃度對(duì)傳感器電流的影響,證明了傳感器在氫氣濃度小于200ppm時(shí)具有良好的電流分辨率,在氫氣濃度大于200ppm時(shí),傳感器的線性度良好。(4)設(shè)計(jì)工藝過程,研究關(guān)鍵工藝方法。傳感器的整個(gè)制備過程包括:絕緣層沉積,正面緩沖層制備、正面電極制備、背面緩沖層制備,背面電極制備等,重點(diǎn)研究了脈沖激光沉積(PLD)制備氮化鋁絕緣層的實(shí)驗(yàn)條件,制定可行的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和流程,在4H-SiC襯底上制備了AlN薄膜,經(jīng)測(cè)試表征,表明制備出的氮化鋁薄膜晶向好、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的氮化鋁薄膜,滿足本傳感器工藝要求。綜上所述,本文以氮化鋁作為絕緣層的MISiC SBD高溫氫敏傳感器作為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)和優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu),仿真分析了傳感器的I-V特性,探究了傳感器絕緣層的制備條件。通過仿真結(jié)果可以得出,傳感器最優(yōu)絕緣層厚度區(qū)間為1.45-2.32nm,當(dāng)絕緣層厚度為2nm時(shí),電流分辨率為1.26mA,靈敏度為54%,當(dāng)氫氣濃度小于200ppm時(shí),電流分辨率良好,當(dāng)氫氣濃度大于200ppm時(shí),傳感器線性度較好。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,在脈沖頻率為5Hz,激光能量密度為3J/cm~2,靶基距為50mm條件下,能夠制備出晶面為(111)方向,晶粒尺寸為26.6nm,表面粗糙度為1.163nm的氮化鋁薄膜。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

生長(zhǎng)有AlN薄膜的基片

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 迪建;;IC China 2015中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J];集成電路應(yīng)用;2015年12期

2 周濤;吳志穎;陸曉東;李文軍;;半導(dǎo)體器件仿真軟件在微電子工藝實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J];教育教學(xué)論壇;2015年38期

3 孫健;;氣體傳感器研究的新進(jìn)展[J];電子技術(shù)與軟件工程;2015年17期

4 楊東杰;李麗麗;;SiC半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J];材料開發(fā)與應(yīng)用;2015年03期

5 尚正國(guó);李東玲;溫志渝;趙興強(qiáng);;硅基氮化鋁薄膜風(fēng)致振動(dòng)MEMS能量采集單元[J];光學(xué)精密工程;2013年12期

6 陳濤;宋友桂;曾蒙秀;李新新;;影響XRD衍射譜形態(tài)的實(shí)驗(yàn)條件分析[J];地球環(huán)境學(xué)報(bào);2013年02期

7 申君君;王巍;王玉青;;MISiC肖特基二極管式氫敏傳感器模型研究[J];重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年06期

8 程成;薛催嶺;宋仁國(guó);;不同環(huán)境氣壓下激光沉積制備鍺納米薄膜的研究[J];材料工程;2008年10期

9 王新華;王曉亮;馮春;冉軍學(xué);肖紅領(lǐng);楊翠柏;王保柱;王軍喜;;AlGaN/GaN背對(duì)背肖特基二極管氫氣傳感器[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2008年01期

10 劉文;王質(zhì)武;楊清斗;衛(wèi)靜婷;;硅基氮化鋁薄膜的AFM和XPS分析[J];壓電與聲光;2007年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 祝杰杰;氮化物MIS-HEMT器件界面工程研究[D];西安電子科技大學(xué);2016年

2 鄺許平;射頻磁控反應(yīng)濺射低溫制備高C軸擇優(yōu)取向的氮化鋁薄膜[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

3 劉玫;脈沖激光沉積（PLD）碲鎘汞（HgCdTe）薄膜材料結(jié)構(gòu)特性的研究[D];山東師范大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 彭明娣;脈沖激光沉積制備鈮金屬超導(dǎo)薄膜的研究[D];北京交通大學(xué);2018年

2 李恒;自支撐AlN薄膜的制備及其性質(zhì)研究[D];西安電子科技大學(xué);2017年

3 陸逸楓;4H-SiC肖特基二極管電流輸運(yùn)機(jī)制研究[D];上海師范大學(xué);2017年

4 王龍;基于AlN壓電薄膜的HBAR器件制備研究[D];江蘇科技大學(xué);2016年

5 郝春蕾;氮化鋁薄膜的制備與性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 洪磊;基于YSZ型固體電解質(zhì)的電化學(xué)氣敏傳感器陣列的研究[D];寧波大學(xué);2015年

7 魏s

本文編號(hào)：2752854