【摘 要】
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金刚石超宽禁带半导体具有高击穿场强、高热导率、较高的载流子迁移率及饱和漂移速度等优异特性,是制备下一代高温、高压、高频、大功率电子器件的理想材料之一。但是金刚石的体掺杂室温下难以激活,目前氢终端金刚石表面p型电导是金刚石主要电导形式。由于氢终端表面导电性能不稳定,易受高温工艺影响,及亚微米小尺寸器件制备困难等问题的限制,高频金刚石场效应晶体管在制备及应用方面还存在较大的困难,成为阻碍金刚石器件发展
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金刚石超宽禁带半导体具有高击穿场强、高热导率、较高的载流子迁移率及饱和漂移速度等优异特性,是制备下一代高温、高压、高频、大功率电子器件的理想材料之一。但是金刚石的体掺杂室温下难以激活,目前氢终端金刚石表面p型电导是金刚石主要电导形式。由于氢终端表面导电性能不稳定,易受高温工艺影响,及亚微米小尺寸器件制备困难等问题的限制,高频金刚石场效应晶体管在制备及应用方面还存在较大的困难,成为阻碍金刚石器件发展的瓶颈。基于上述研究背景,本论文开展了亚微米金刚石场效应晶体管的研究。具体的研究工作及成果总结如下:1、基于MPCVD设备优化了金刚石表面的氢化处理工艺。通过优化氢终端制备过程中的气体流量、温度、压强以及加入0.2%的CH4等技术提高了氢终端金刚石电导,获得表面方块电阻3.8kΩ/sq,欧姆接触电阻率5.29×10-5Ω·cm~2,为后续高性能金刚石场效应晶体管的制备提供了重要基础。2、通过优化器件工艺,制备了栅长为100nm的氢终端金刚石MESFET,成功解决了亚微米栅长器件制备难的问题。器件在-6V的漏极电压下实现了最大饱和漏极电流(IDmax)为-420m A/mm,峰值跨导为110m S/mm,开关比超过10~8。3、采用ALD法在300℃高温下生长Al2O3,制备了300nm栅长的氢终端金刚石场场效应晶体管,研究了栅漏间距、栅宽及栅介质厚度对器件性能的影响。栅介质厚度为7nm,栅长为300nm,栅漏间距为2μm的金刚石场效应晶体管,在-8V的漏极电压下实现了IDmax为-440.6m A/mm,峰值跨导为120.9m S/mm,同时器件的导通电阻只有15.3Ω·mm。研究对比发现,器件的饱和漏极电流与栅宽呈线性关系,充分验证了本实验氢终端金刚石表面二维空穴气分布均匀,且实验过程中工艺条件稳定。实验制备栅介质厚度为10nm,栅长为300nm,栅漏间距为2μm的金刚石场效应晶体管,实现了超过10~9的开关比。4、制备了栅长为100nm的氢终端金刚石MOSFET高频器件,栅介质为300℃ALD-Al2O3,厚度为7nm,栅漏间距为2μm。室温下器件在-8V的漏极电压下的IDmax为-492.6m A/mm,峰值跨导为135.2m S/mm。器件的关态源漏击穿电压为138V,开关频率大于1MHz。200℃下,器件的IDmax为-454.9m A/mm,比室温情况仅下降了7.6%。小信号测试结果表明,器件的电流增益截止频率f T为36.2GHz,最大振荡频率fmax为70.5GHz。本文通过迭代优化,采用亚微米栅长及300℃高温Al2O3介质,研究了不同器件参数对器件性能的影响,实现了高性能高频氢终端金刚石场效应晶体管的制备,为金刚石场效应晶体管的发展及应用提供了重要的参考。
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