Al2O3基薄膜型a-IGZO肖特基势垒二极管制备及高温特性研究

摘要

目前地热和井油海上开采等实时温度和气动参数的测试对测试系统中应用到的半导体器件提出了更高的要求，包括器件的材料、结构设计、封装配置等，要求能够在恶劣环境中具有良好的工作性能，例如高温环境。而传统硅基器件虽然具有广泛的应用场合，但在300℃以上高温环境中载流子浓度迅速升高，半导体性能降低，SiC基半导体器件在已知文献中已可耐600℃高温，但在某些应用场合下需要与其它基底集成制备，例如陶瓷材料，国外已有相关报道。陶瓷材料为高温下正在广泛应用并且具有发展前景的一种耐高温材料，但目前国内还暂未有陶瓷基半导体器件的相关报道。本论文针对前述应用需求，提出了一种薄膜型Al2O3（氧化铝）基a-IGZO（amorphous-Indium gallium zinc oxide，氧化铟镓锌）肖特基势垒二极管(SBDs)，对不同制备参数下的二极管在常温下的J-V特性以及在21-400℃温度范围内的温度传感应用进行分析验证，为后续陶瓷基薄膜型半导体器件的研究及在传感器件上的集成开辟了新思路。本文的主要研究内容及结果如下:
　　1、以N型半导体为例，分析了理想金属-半导体肖特基接触势垒形成的条件以及相关参数性能（电流传输机制和空间耗尽层电容）的表达式，探讨了实际中影响肖特基势垒高度的关键因素，包括表面态和镜像力;分析了形成欧姆接触的两种情况，即金属半导体功函数有差值以及高浓度掺杂引起的量子隧穿效应。通过对肖特基势垒接触和欧姆接触的分析，提出了垂直结构的肖特基势垒二极管的等效电路模型，设计了垂直结构的薄膜型二极管结构。
　　2、利用MEMS工艺（包括电子束蒸发、溅射等）完成了器件在Al2O3基底上的成功制备，用Keithley4200A-SCS参数分析仪和Cascade探针台完成了不同制备参数下二极管常温J-V特性测试，通过变参数对比分析得出了二极管阳极金属、a-IGZO层厚度、整流结面积和a-IGZO层溅射过程中的氧气含量四个因素对肖特基势垒二极管J-V特性的影响，得到了优化的制备条件。
　　3、利用Lakeshore Model CRX-6.5K高温探针台完成优化制备的二极管在21-400℃范围内高温I-V特性测试，得出了在施加-1～1V的扫描电压时，二极管的正向开启电压随温度升高逐渐减小的规律，在不同温度下的开启电压与温度呈近似线性关系;当温度升高时，I-V特性曲线从右向左发生偏移;当温度从21℃升高到400℃时，Pt/a-IGZO二极管的正向开启电压从0.64V降低到0.14V，平均的电压漂移速率为1.32mV/℃;开启电阻从3.81kΩ降低到到1.54kΩ，平均的电阻漂移速率为5.99Ω/℃。根据J-V特性曲线，得出21-400℃范围内，Pt/a-IGZO二极管的理想因子n随温度升高而减小，而接触势垒高度ψBn随温度升高而增加。
　　4、另外，为了探索二极管在高温下的应用前景，将该二极管看做一个温度传感器，当二极管正向电流密度为10-5A/cm2时，该传感器的灵敏度为0.81mV/℃;正向电流密度10-4A/cm2时，灵敏度为1.37mV/℃;正向电流密度10-3A/cm2时，灵敏度为1.59mV/℃。得出传感器的灵敏度随正向电流密度的增加而增大，但是线性度随着温度的增加而降低。

目录

声明

摘要

1．1课题来源

1．2课题研究的目的及意义

1．3国内外研究现状与发展动态

1．3．1面向高温环境应用的半导体器件

1．3．2高温薄膜型SBDs的研究现状

1．4论文主要研究内容

1．5论文创新点

2金属-半导体接触相关理论

2．1概述

2．2肖特基接触

2．2．1理想肖特基势垒形成

2．2．2电流传输机制

2．2．3空间耗尽层电容

2．3影响肖特基势垒高度的因素

2．3．1表面态

2．3．2镜像力

2．4欧姆接触

2．5 SBDs等效电路模型

2．6本章小结

3．1概述

3．2 a-IGZO半导体材料性能

3．3电极材料选择

3．3．1阳极金属

3．3．2阴极金属

3．3 a-IGZO SBDs器件制备

3．4本章小结

4．1概述

4．2常温特性测试系统介绍

4．3制备条件对a-IGZO SBDs性能的影响

4．3．1阳极金属材料

4．3．2 a-IGZO层厚度

4．3．3整流结面积

4．3．4溅射氧气含量

4．4本章小结

5．1概述

5．2高温特性测试系统介绍

5．3 a-IGZO SBDs高温特性测试及分析

5．3．1 a-IGZO SBDs高温参数提取及分析

5．3．2 a-IGZO SBDs温度传感器高温参数提取及分析

5．4本章小结

6．1论文工作总结

6．2工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢