氢终端金刚石薄膜生长及其表面结构

氢终端金刚石的导电性问题是目前限制其在器件领域应用的关键因素.传统的氢终端金刚石制备工艺由于金刚石中含有杂质元素以及表面的加工损伤的存在,限制了氢终端金刚石的电特性.在金刚石衬底上直接外延一层高纯、表面平整的氢终端金刚石薄膜成为一种可行方案,但该方案仍存在薄膜质量表征困难,表面粗糙度较大等问题.本文采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)技术,在含氮CVD金刚石衬底上外延一层亚微米级厚度金刚石薄膜,并研究分析了不同甲烷浓度对金刚石薄膜生长以及导电性能的影响.测试结果显示:金刚石薄膜生长厚度为230—810 nm,且外延层氮浓度含量低于1×10^(16) atom/cm^(3),不同的甲烷浓度生长时,金刚石外延层表面出现了三种生长模式,这主要与金刚石的生长和刻蚀作用相关.经过短时间生长后的金刚石薄膜表面为氢终端(2×1:H)结构,而氧、氮元素在其中的占比极低,这使得生长后的金刚石薄膜具有P型导电特性.霍尔测试结果显示,甲烷浓度为4%条件下生长的氢终端金刚石薄膜导电性最好,其方块电阻为4981Ω/square,空穴迁移率为207 cm^(2)/(V·s),有效地提升了氢终端金刚石电特性,为推进大功率金刚石器件发展应用起到支撑作用.

水平结构氢终端金刚石MOSFET的研究进展

氢等离子体处理后的金刚石表面具有导电性,室温下二维空穴气(Two-dimensional hole gas,2DHG)面密度可达1013 cm-2,因此利用氢终端金刚石制备的场效应晶体管成为研究重点。本文基于金刚石优异的物理性质,介绍了两种氢终端金刚石2DHG的形成机理,以耗尽型氢终端金刚石MOSFET为例提出稳定2DHG及提高器件性能的方法,总结增强型氢终端金刚石MOSFET的三种实现方法,并综述氢终端金刚石功率器件研究现状、面临的问题以及对未来发展的展望。

Al_(2)O_(3)/HfO_(2)双钝化层微波氢终端金刚石MOSFET特性研究

微波氢终端金刚石器件低纵横比会导致较高的关态漏极泄漏电流,从而降低器件可靠性。文章首先提出一种金属-绝缘体-半导体电容模型揭示了漏极泄漏电流的抑制机理,然后利用高介电常数(High-K)顶部钝化层(Upper Passivation Layer,UPL)对漏极泄漏电流进行抑制,最后制备了40/100 nm Al_(2)O_(3)/HfO_(2)双钝化层氢终端金刚石金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。实验结果表明,顶部钝化100 nm厚HfO_(2)后的氢终端金刚石MOSFET,在纵横比为7.5的情况下实现了约-3×10^(-7)mA/mm的漏极泄漏电流,射频特性测试表明其截止频率和最高振荡频率分别为6.1 GHz和11.1 GHz。以上结果表明,本文提出的Al_(2)O_(3)/HfO_(2)双钝化层氢终端金刚石MOSFET在高可靠和高频应用方面具有重要意义。

高跨导氢终端多晶金刚石长沟道场效应晶体管特性研究

基于多晶金刚石制作了栅长为4 pm的铝栅氢终端金刚石场效应晶体管.器件的饱和漏源电流为160 mA/mm,导通电阻低达37.85Ω·mm,最大跨导达到32 mS/mm,且跨导高于最大值的90%的栅压(V_(GS))范围达到3 V(-2 V≤V_(GS)≤-5 V).通过传输线电阻分析以及器件的导通电阻和电容-电压特性分析,发现氢终端多晶金刚石栅下沟道中的空穴面浓度达到了1.56×10^(13)cm^(-2),有效迁移率在前述高跨导栅压范围保持在约170 cm^2/(V·s).分析认为,较低的栅源和栅漏串联电阻、沟道中高密度的载流子和在大范围栅压内的高水平迁移率是引起高而宽阔的跨导峰和低导通电阻的原因.

氢终端金刚石MOSFET击穿机制的仿真研究

对氢终端金刚石MOSFET进行物理仿真,仿真了栅介质厚度为100 nm的氧化铝栅介质的金刚石MOSFET,得到器件的最大漏电流密度超过400 mA/mm,阈值电压接近20 V,与实测器件性能接近。引入碰撞电离模型,仿真分析了不同结构器件内部电场的分布情况,在栅极边缘和漏电极附近分别出现了电场峰值。通过增加栅介质厚度,可以降低金刚石表面电场强度。大的栅漏间距可以实现更高击穿电压,针对栅介质和金刚石表面的电场尖峰,引入钝化介质和栅场板结构,有效降低了电场峰值,降低了击穿的风险。

h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质氢终端金刚石场效应晶体管

金刚石是实现高频大功率器件的理想候选材料,但是其较低的载流子迁移率制约了器件的性能,六方氮化硼(h-BN)作为氢终端金刚石场效应晶体管(FET)的栅介质材料有望提升金刚石材料的载流子迁移率。利用商业化大面积h-BN材料,制备了h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的氢终端金刚石FET,h-BN/Al_(2)O_(3)/氢终端金刚石材料的载流子迁移率得到提升,达到186 cm^(2)/(V·s)。相较于Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET,h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET最大饱和电流密度和最大跨导均得到提升,分别为141 mA/mm和9.7 mS/mm。通过电容-电压(C-V)测试计算了栅介质和金刚石间界面固定电荷密度和陷阱密度,h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET界面负固定电荷密度为5.4×10^(12)cm^(-2)·eV^(-1),低于Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET(8.5×10^(12)cm^(-2)·eV^(-1))。固定电荷密度低、载流子迁移率高是h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质金刚石FET性能提升的主要原因。

稀氢氟酸中硅表面氢终端的原位拉曼光谱研究

本文用共焦显微拉曼系统原位观察了Ｓｉ（１００）表面氢终端原子在稀氢氟酸中的变化过程。研究表明：在硅片浸入氢氟酸溶液的初期，表面主要被硅和三个氢原子的结合体（ＳｉＨ３）以及硅和两个氢原子的结合体（ＳｉＨ２）所覆盖。随着腐蚀过程的延长，ＳｉＨ３越来越少，ＳｉＨ２的信号不断增强，并且，硅和单个氢原子的结合体（ＳｉＨ）的信号也开始出现。最终，硅表面主要被ＳｉＨ２所覆盖，有少量ＳｉＨ３和ＳｉＨ键。本文还表明。

氢终端金刚石半导体电学特性测量有效性影响因素分析

本文对基于霍尔效应的氢终端金刚石半导体电学特性测量有效性影响因素进行讨论,并提出相应改善措施,使氢终端电学特性测量结果更为准确地为器件研制工作服务,同时也有助于氢终端金刚石半导体电学特性测量标准的建立。

单晶金刚石氢终端场效应晶体管特性

基于微波等离子体化学气相淀积生长的单晶金刚石制作了栅长为2μm的耗尽型氢终端金刚石场效应晶体管,并对器件特性进行了分析.器件的饱和漏电流在栅压为-6 V时达到了96 mA/mm,但是在-6 V时栅泄漏电流过大.在-3.5 V的安全工作栅压下,饱和漏电流达到了77 mA/mm.在器件的饱和区,宽5.9 V的栅电压范围内,跨导随着栅电压的增加而近线性增大到30 mS/mm.通过对器件导通电阻和电容-电压特性的分析,氢终端单晶金刚石的二维空穴气浓度达到了1.99×10^(13)cm^(-2),并且迁移率和载流子浓度均随着栅压向正偏方向的移动而逐渐增大.分析认为,沟道中高密度的载流子、大的栅电容以及迁移率的逐渐增加是引起跨导在很大的栅压范围内近线性增加的原因.

氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,通过改变气源中的氮含量,得到不同结晶质量的单晶金刚石,通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm,然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件,系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加,虽然单晶金刚石生长速率有所增加,但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加,光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多,晶体结晶质量逐渐变差,不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化,而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度,提升材料的结晶质量,沟道载流子迁移率得到显著提升,金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制,电流增益截止频率f_(T)和功率增益截止频率f_(max)分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。

基于表面终端的增强型金刚石场效应晶体管研究现状

金刚石半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、载流子迁移率高、热导率高、抗辐照、耐腐蚀等优良性能,基于金刚石的场效应管(Field Effect Transistor,FET)在超高频率、超大功率、高温及特殊环境领域具有极为广阔的应用前景。得益于氢终端金刚石表面的导电特性,近30年来,金刚石FET器件得到了长足的发展。首先概述了氢终端金刚石导电机理,进而回顾了氢终端金刚石FET的发展历程,随后着重讨论了增强型(常关型)器件的研究现状,并归纳阐述了几种实现增强型特性的技术路径,最后对表面终端增强型金刚石FET亟待解决的问题与发展前景进行了总结和展望。

金刚石二维电导和场效应管研究新进展

金刚石表面沟道场效应管以氢终端金刚石表面的二维空穴气2DHG(Two-Dimensional Hole Gas)作为沟道实现输入电压对输出电流的控制,是目前金刚石电子器件的主流结构.该2DHG面电导具有可大范围调控的面电荷密度和较高空穴饱和漂移速度.本文回顾了金刚石场效应管器件在直流、频率和功率特性的研究进展,揭示了低迁移率是制约金刚石低功耗高速数字电路、高频器件和高功率微波器件发展的主要因素.从理论和实验总结了金刚石表面电导出现的类调制掺杂的新掺杂机理,尤其实现了室温下2DHG霍尔迁移率提升到680 cm^(2)/Vs,材料方阻从10 kΩ/sq数量级降低到1.4 kΩ/sq电导性能的突破.相信这将会引起金刚石场效应管性能极大提升和器件的快速发展.

氢、氧终端掺硼金刚石薄膜的电子结构

利用氢微波等离子体溅射和浓酸中沸煮方法分别制备了氢、氧终端掺硼金刚石薄膜.借助X射线光电子能谱及接触角检测对两种终端薄膜表面进行了分析,通过扫描探针显微镜研究了针尖和样品间的扫描隧道谱.结果表明,氢终端掺硼金刚石表面能带向上弯曲,在高于价带顶位置存在浅受主能级;氧终端表面能带向下弯曲,带隙较宽,带隙中不存在表面态.对两种终端金刚石薄膜的导电机理进行了讨论.

h-BN/diamond异质结的制备与沟道载流子输运性质

基于h-BN钝化的氢终端金刚石表面导电沟道表现出高的空穴迁移率,但是当前h-BN钝化金刚石主要采用机械剥离的方法,无法实现大尺寸导电沟道,难以满足实际的应用要求.本文系统地开展了经典转移hBN对氢终端金刚石表面导电沟道的载流子输运影响研究.通过微波化学气相沉积外延生长高质量单晶金刚石,并通过表面氢化处理得到氢终端金刚石.通过湿法转移不同层数h-BN制备出h-BN/H-diamond异质结,系统地研究了沟道载流子输运特征.研究结果表明, h-BN转移后沟道导电性能明显增强,且随着h-BN厚度的增加,沟道导电性增强效果趋于稳定.多层h-BN的转移可使氢终端金刚石表面载流子密度提升近2倍,方阻降低到之前的50%.当前的结果显示h-BN/H-diamond异质结可能存在转移掺杂效果,使得载流子密度显著提升.伴随载流子密度的增加, h-BN钝化的金刚石表面沟道迁移率保持稳定, h-BN在金刚石表面吸附,使得原本在氢终端表面的负电荷向h-BN表面移动,作用距离加大,减弱了氢终端金刚石导电沟道中空穴和介质层负电荷的耦合作用,使其迁移率保持稳定.