CVD金刚石材料生长及氢终端金刚石场效应晶体管研究

摘要

金刚石属于新一代的超宽禁带半导体材料。金刚石具有禁带宽度大、载流子迁移率高、击穿场强高、热导率高、硬度大、化学稳定性好等一系列优异的性能，因此也被称为“终极半导体”。金刚石在高频大功率器件、光学窗口、高能粒子探测器、量子信息、生物传感器等领域具有巨大的应用潜力，但是目前仍然存在单晶面积小、生产成本高、掺杂困难等问题。高品质单晶金刚石目前主要是基于高温高压（HPHT）法合成的金刚石衬底进行同质外延生长而获得的。HPHT方法很难获得大尺寸单晶，这严重限制了外延单晶金刚石的尺寸，所以有必要对单晶金刚石进行扩大生长研究，获得高纯度、高质量、大尺寸的单晶金刚石。金刚石常用的硼（B）和磷（P）掺杂剂的激活能分别为0.37eV和0.62eV，激活能高、室温下难以有效电离。金刚石表面经过氢等离子体处理并暴露在空气中以后会在金刚石表面形成一层浓度在1012~1014cm-2的二维空穴气，但这层导电层具有不稳定的问题，因此基于氢终端表面的金刚石实现高性能、高稳定性的场效应晶体管器件仍然需要不断的努力。 基于上述研究背景，本文开展了高质量金刚石材料的生长以及基于金刚石材料的高性能场效应晶体管的研究，期望能够实现高质量、大面积的单晶金刚石材料，以及高性能、高稳定性的金刚石场效应晶体管器件。主要研究工作和成果如下。 1、基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备对单晶金刚石的外延生长进行工艺优化，研究了甲烷浓度和附加氩气对单晶金刚石外延生长的影响。在不附加氩气时最大生长速率达到了20μm/h以上，在附加20%氩气条件下实现了43μm/h的生长速率。外延生长的单晶金刚石XRD（004）面摇摆曲线半高宽为37.9arcsec，达到了元素六公司销售的电子级单晶的水平。非故意掺杂的单晶金刚石的杂质浓度低于1ppm，其中顺磁性的氮杂质浓度低于100ppb。 2、提出了单晶金刚石扩大生长的新技术。通过稳定衬底与衬底托之间的热交换、保持恒定的生长工艺参数以及衬底表面温度，并结合半封闭型的衬底托，实现了单晶金刚石的有效扩大生长，基于最大边长7.5mm的单晶衬底实现了最大边长10mm的CVD单晶金刚石。这也是目前国内以文献形式公开报道的最大尺寸的CVD外延单晶金刚石。还创新性地实现了多片单晶金刚石衬底的同时扩大生长，在保证材料质量均匀的前提下大大提高了单晶金刚石的生长效率。 3、基于CVD生长单晶金刚石衬底研制了氢终端金刚石表面的MESFET器件。器件的开关比达到了109，达到国际上报道的最高水平，证明了单晶金刚石的高纯度和高绝缘性。器件的输出电流达到了96mA/mm，亚阈值摆幅达到了80mV/dec。 4、基于单晶金刚石衬底在国际上首次进行了MoO3栅介质的金刚石MOSFET器件研究。栅长4μm的器件在-1.5V的栅电压下实现了跨导29mS/mm，饱和电流33mA/mm，与国际上报道的其他介质的金刚石MOSFET特性相比，跨导提高到约3倍。在栅电压为0.3~-1.5V的范围内载流子迁移率一直保持为常数。对器件的栅金属和MoO3之间界面的特性进行了研究，发现在界面处存在非故意引入的氧化铝薄层。 5、基于胖栅（FATFET）器件对单晶金刚石上MoO3栅MOSFET器件沟道载流子输运特性进行了研究。理论结合实验计算得到，氧化层中的固定电荷浓度为1.67×1012cm-2，陷阱密度为1.35×1011cm-2；有效空穴迁移率达到了210cm2/Vs。首次利用硅MOS沟道中载流子和垂直电场关系的经验公式对金刚石器件载流子迁移率和栅电压的关系进行了拟合，得到没有垂直电场负面影响的低场迁移率极限值为?0=699cm2/Vs，迁移率退化因子为1.13。 6、基于多晶金刚石器件制作了MoO3介质的MOSFET器件，栅长2μm的器件测试得到fT=1.2GHz，fmax=1.9GHz。此外，对器件进行钝化之后，验证了器件特性连续测量的稳定性，以及200℃下的高温稳定性。 7、基于ALD生长的Al2O3介质制作了氢终端金刚石MOSFET器件，对比研究了介质生长温度对器件特性的影响。栅长2μm的基于200℃生长的Al2O3介质制作的MOSFET器件实现了高达339mA/mm的输出电流，除吸附NO2的氢终端金刚石MOSFET以外，这是目前报道的同等栅长金刚石MOSFET器件的最高值。然而，300℃生长的Al2O3介质却有着更高的质量，器件能够耐受更高的栅电压。另外，两种器件都表现出了连续测试的稳定性，这得益于Al2O3介质的钝化有效保护了氢终端金刚石表面。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 金刚石材料特性及发展

1.2金刚石场效应晶体管器件的发展

1.3本文研究工作及安排

第二章实验方法及原理

2.1微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统

2.2材料表征设备及原理

2.3氢终端金刚石表面导电原理[87]

2.4本章小结

第三章 金刚石材料生长及表征

3.1 单晶金刚石生长及表征

3.2多晶金刚石生长及表征

3.3本章小结

第四章 氢终端金刚石MESFET器件研究

4.1氢终端金刚石表面处理

4.2器件版图设计与工艺流程

4.3器件欧姆接触电阻

4.4器件特性与分析

4.5本章小结

第五章 MoO3栅介质的金刚石MOSFET研究

5.1引言

5.2单晶金刚石MoO3介质MOSFET器件

5.3多晶金刚石MoO3介质MOSFET器件研究

5.4本章小结

第六章 金刚石Al2O3介质MOSFET器件研究

6.1引言

6.2器件工艺流程

6.3器件特性研究

6.4本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介