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基于自支撑金刚石薄膜的晶体管和紫外探测器制备与性能研究

作　者: 黄健
导　师: 夏义本
学　校: 上海大学
专　业: 材料学
关键词: 自支撑金刚石薄膜肖特基势垒栅场效应晶体管 ZnO薄膜紫外光探测器
分类号: TN23
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于金刚石薄膜具有优异的力学、热学、光学、电学和化学稳定性,使得它成为一种理想的电子器件用宽禁带半导体材料,基于金刚石薄膜的器件尤其适用于在高温、高功率、强辐射和腐蚀性的苛刻环境下应用。CVD金刚石薄膜,尤其是具有光滑表面的CVD自支撑金刚石薄膜的制备及其器件应用已经成为国际前沿课题。本论文主要研究了高质量自支撑CVD金刚石薄膜的制备及其在晶体管和光电探测器件方面的应用。采用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)法和微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备自支撑金刚石薄膜。研究了衬底预处理方法对金刚石薄膜成核的影响。利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜厚度、薄膜成核面的表面形貌和取向性进行了分析,结果表明HFCVD法和MPCVD法制备的自支撑金刚石薄膜的成核面均十分平整;采用HFCVD法制备薄膜的速度要快于MPCVD法。通过Raman光谱仪及半导体特性表征系统研究了表面处理及退火处理对薄膜质量及电学性能的影响。结果表明采用MPCVD法制备的薄膜质量要优于HFCVD法制备的薄膜。对MPCVD法制备的自支撑金刚石薄膜的成核面进行氢等离子处理,研究了不同的氢等离子处理工艺以及退火工艺对薄膜表面p型导电性能的影响规律。并通过紫外拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱及二次离子质谱等方法研究了薄膜表面导电层产生的原因及厚度。主要得到以下结果:采用氢等离子体处理金刚石薄膜的成核面可以使得薄膜表面形成一层40-50nm厚的p型导电层;这种p型导电层形成的原因可能与氢和碳悬挂键的结合有关;氢等离子体处理温度(600-750oC)以及处理时间(5-30min)的增加,可以提高薄膜表面的载流子浓度,降低电阻率;在空气中退火温度大于200oC,或真空中退火温度大于600oC时,氢从金刚石薄膜表面脱出使得薄膜逐渐丧失表面导电性;采用氧等离子体处理可以使金刚石薄膜的表面导电性能消失。研究了金属电极与氢终端p型金刚石薄膜的接触性能,结果表明金可以与p型金刚石薄膜形成较好的欧姆接触,而铝则与p型金刚石薄膜形成了肖特基接触。研究了氢终端p型金刚石基肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)的制备工艺及器件的性能,结果表明该器件具有明显的增强型晶体管的特性。采用射频磁控溅射法在自支撑金刚石衬底上制备ZnO薄膜。研究了沉积功率、沉积气压以及同质缓冲层对ZnO薄膜性能的影响,并对ZnO/金刚石结构在光电探测器方面的应用进行了初步研究。主要得到以下结论:当溅射功率为150W、沉积气压为0.3Pa以及添加同质缓冲层时可以制备出高度c轴取向高质量的ZnO薄膜;相对于未添加缓冲层的样品,通过添加缓冲层,可以明显提高薄膜的质量,降低缺陷;添加缓冲层也有助于改善ZnO/金刚石薄膜结构紫外光探测器的光电性能和光谱响应特性。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章前言  12-36
  1.1 CVD 金刚石薄膜概述  12-19
    1.1.1 金刚石薄膜的结构  13-14
    1.1.2 金刚石薄膜的优异特性  14-16
    1.1.3 CVD 金刚石薄膜的制备技术  16-19
  1.2 CVD 金刚石薄膜在光电子器件中的主要应用概述  19-29
    1.2.1 CVD 金刚石薄膜热沉  19-23
    1.2.2 CVD 金刚石薄膜声表面波（SAW）器件  23-26
    1.2.3 CVD 金刚石薄膜紫外光探测器  26-27
    1.2.4 CVD 金刚石薄膜晶体管  27-29
  1.3 本课题意义及研究内容  29-30
  参考文献  30-36
第二章自支撑金刚石薄膜的制备及性能研究  36-55
  2.1 实验设备及原理介绍  36-38
    2.1.1 热丝化学气相沉积（HFCVD）法的原理及设备介绍  36-37
    2.1.2 微波等离子体气相沉积（MPCVD）法的原理及设备介绍  37-38
  2.2 自支撑金刚石薄膜的制备工艺研究  38-44
    2.2.1 衬底研磨方式对成核的影响  38-41
    2.2.2 自支撑金刚石薄膜的制备  41-44
  2.3 自支撑金刚石薄膜的性能  44-53
    2.3.1 自支撑金刚石薄膜的表征方法  44-45
    2.3.2 薄膜表面形貌及横截面的SEM 表征  45-47
    2.3.3 XRD 图谱表征  47-49
    2.3.4 Raman 光谱表征  49-51
    2.3.5 电学性能表征  51-53
  2.4 本章小结  53
  参考文献  53-55
第三章金刚石薄膜表面导电性能研究及机理分析  55-71
  3.1 引言  55-56
  3.2 实验过程  56-57
    3.2.1 自支撑金刚石薄膜的制备及表面处理  56
    3.2.2 测试仪器设备  56-57
  3.3 自支撑金刚石薄膜的表面导电性能研究  57-67
    3.3.1 氢处理工艺对金刚石薄膜表面电性能的影响  57-59
    3.3.2 退火对金刚石薄膜表面电性能的影响  59-62
    3.3.3 氧等离子体处理对金刚石薄膜表面电性能的影响  62-63
    3.3.4 金刚石薄膜表面氢元素分析  63-67
  3.4 本章小结  67-68
  参考文献  68-71
第四章自支撑金刚石薄膜肖特基场效应晶体管的初步研究  71-81
  4.1 引言  71-72
  4.2 金刚石与金属电极的接触特性  72-76
    4.2.1 金属和半导体的功函数  72-73
    4.2.2 接触势垒  73-74
    4.2.3 欧姆接触和肖特基接触  74-75
    4.2.4 电极材料的选择  75-76
  4.3 MESFET 器件制备及性能研究  76-79
    4.3.1 氢终端p 型自支撑金刚石薄膜的制备  76
    4.3.2 MESFET 器件的制备工艺  76-78
    4.3.3 器件性能测试  78-79
  4.4 本章小结  79
  参考文献  79-81
第五章 ZnO/金刚石结构的制备及应用研究  81-105
  5.1 引言  81-82
  5.2 ZnO 材料概述  82-86
    5.2.1 ZnO 材料的结构  82-83
    5.2.2 ZnO 材料的特性及应用  83-84
    5.2.3 磁控溅射法制备ZnO 原理简介  84-86
  5.3 ZnO 制备及测试  86-88
    5.3.1 ZnO 陶瓷靶的制作  86
    5.3.2 ZnO 薄膜的制备过程  86-87
    5.3.3 测试设备  87
    5.3.4 ZnO 薄膜的结构特性分析  87-88
  5.4 实验结果与讨论  88-96
    5.4.1 溅射功率对ZnO 薄膜结构特性的影响  88-91
    5.4.2 溅射气压对ZnO 薄膜结构特性的影响  91-93
    5.4.3 同质缓冲层对ZnO 薄膜的影响  93-96
  5.5 ZnO/金刚石结构紫外光探测器的性能研究  96-100
    5.5.1 ZnO/金刚石薄膜结构紫外光探测器的制备  96-97
    5.5.2 探测器光电性能测试与分析  97-100
  5.6 本章小节  100-101
  参考文献  101-105
第六章结论与展望  105-108
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文  108-111
作者在攻读博士学位期间申请的专利  111-112
攻读博士学位期间所承担的科研项目  112-113
个人简历  113-114
致谢  114

基于自支撑金刚石薄膜的晶体管和紫外探测器制备与性能研究

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