氢终端金刚石MoO3介质场效应晶体管特性研究

作     者：梁振芳 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张金风;雷应毅

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 081702[工学-化学工艺] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：氢终端金刚石 MoO3 增强型器件 高温稳定性 Si3N4 

摘      要：金刚石材料作为超宽禁带半导体材料的典型代表,具有禁带宽度大、载流子迁移率高、击穿场强高、热导率高等突出特性,在制备高温、高频、大功率电力电子器件方面具有巨大应用潜力。由于金刚石材料掺杂极为困难,目前金刚石基电子器件主要依靠氢终端金刚石表面的二维空穴气(2DHG)实现导电。已有研究表明,在氢终端金刚石表面淀积的高功函数介质MoO具有转移掺杂作用,电子从金刚石价带顶转移至MoO中使得金刚石表面2DHG浓度高达10-10cm,且在高温下具备较好的稳定性;然而以热蒸发淀积的MoO作为栅介质的MOSFET不耐高压,导致氢终端MoO介质器件的发展相对较缓,目前器件性能还有很大的提升空间。基于上述研究背景,本文创新地提出采用转移掺杂MoO介质技术制备高性能金刚石器件,取得的具体研究成果如下:1、开展了氢终端金刚石表面工艺优化和欧姆接触的研究。发现将氢终端处理时长控制在15-30 min内,金刚石表面具备较低的方块电阻、较好的表面平整度和较高的载流子浓度;得到方块电阻为4.4 kΩ/□,欧姆接触电阻率为2.78×10Ω·cm,说明欧姆接触特性较好,满足制备高性能氢终端场效应晶体管的需求。2、基于转移掺杂MoO介质钝化层制备增强型氢终端金刚石MESFET器件。制备栅窗口后低温退火1 h以降低沟道中的空穴浓度从而实现增强型器件。室温下,栅长2μm器件的阈值电压为-0.38 V,开关比为10。通过分析MoO介质在不同温度下退火后的XPS测试结果发现,150℃退火后的MoO特性最好,O/Mo元素比最接近理想状态的3:1,适用于氢终端金刚石MESFET器件制备。3、对增强型MESFET器件进行了变温特性研究。当温度升高至150℃时,栅长2μm器件的饱和源漏电流增加至-54 m A/mm,跨导增加至26 m S/mm,导通电阻有明显降低。分析认为当温度升高时,MoO在保护器件表面的同时,其转移掺杂作用增强、氢终端表面的2DHG浓度增大,器件在高温下仍可稳定工作并保持室温的特性不退化,因此MoO钝化层有效地改善了器件的电学特性。4、以热蒸发生长的MoO和ICP-CVD生长的SiN作为栅介质层,实现了MoO/SiN双栅介质p沟氢终端金刚石MOSFET器件。室温下栅长4μm器件的饱和输出电流达到-118.67 m A/mm,跨导达到35 m S/mm,导通电阻低至36.15Ω·mm,阈值电压为1.28 V,击穿电压为-104 V,栅氧化层电容C为0.18μF/cm,氧化层中固定电荷密度约为3.38×10 cm,器件的工作电压和栅耐压能力明显提高。本文创新性地以MoO作为钝化层制备了增强型氢终端金刚石MESFET器件,结果表明MoO可以有效地提高器件电学特性和温度稳定性,使器件稳定工作温度高达150℃;同时以MoO/SiN作为栅介质制备了氢终端金刚石MOSFET,与单层MoO作为栅介质的MOSFET相比,SiN对起转移掺杂作用的MoO有良好的保护作用,使本器件具备更高的工作电压、更强的栅控能力以及更优的稳定性。综合以上实验,采用MoO制备氢终端金刚石场效应晶体管可以大幅提高器件电学性能及工作稳定性,进一步推动金刚石器件的发展。