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基于外延掺硼金刚石结型器件的制作及性能研究

王国欣  
【摘要】:辐射伏特同位素电池(简称辐伏同位素电池)与目前使用的化学能和太阳能电池相比,具有使用寿命长、单位能量密度高、耐恶劣环境和免维护等优点,在太空、极地、深海和荒漠等特殊环境中具有巨大的应用潜力。与其他半导体材料相比,金刚石具有最宽的带隙、高载流子迁移率、最高的热导率、良好的化学惰性和优异的抗辐射性能,是用作辐伏同位素电池换能单元的最理想的候选材料。然而,基于金刚石的辐伏同位素电池换能单元研究较少,尤其是基于平面型肖特基势垒二极管的结型器件。本论文以用于辐伏同位素电池换能单元的结型器件研究为背景,详细研究了同质外延单晶金刚石膜的制备、表征及平面型肖特基势垒二极管设计与制作,有望为金刚石辐伏同位素电池的研究提供新路线。具体研究内容如下:(1)为了获得低缺陷密度和粗糙度的高质量电子级金刚石膜,设计了两种不同几何结构样品台(梯形和平面圆柱形样品台),对比了样品台结构对同质外延单晶金刚石膜生长的影响。结果表明:在同种生长条件下,平面圆柱形样品台生长的单晶金刚石膜具有更光滑的表面、低的缺陷密度和高的质量,更适合于生长用于制作器件的金刚石膜。(2)基于平面圆柱形样品台结构,采用硼烷为掺杂源,研究了掺杂金刚石膜的晶体质量、掺杂效率与生长温度的关系。结果表明:生长温度的变化会导致掺杂金刚石的表面形貌、晶体质量和掺杂效率明显改变,在采用2个温度变量的情况下,更高生长温度(950℃)下生长的金刚石膜表面缺陷较少,晶体质量和掺杂效率更高。(3)基于平面圆柱形结构样品台和优化的生长温度,研究了一系列不同掺硼浓度对单晶金刚石膜的表面形貌、晶体质量和半导体性能的影响。结果表明:单晶金刚石膜的表面缺陷随着掺硼浓度升高而增多,晶体质量随之下降;霍尔效应测试表明,空穴浓度随着掺硼浓度升高而增加,但载流子迁移率随载流子浓度增加而下降。(4)在优化外延掺硼金刚石生长工艺,获得了表面平整、质量良好的外延掺硼单晶金刚石膜基础上,细致全面探索了平面型金刚石肖特基结型器件制作工艺。利用金属掩模法并结合真空电子束蒸发和磁控溅射技术,重点考察了掩模版结构和退火处理工艺对欧姆接触制作的影响,最终在掺硼浓度为3000 ppm和6000 ppm的金刚石膜样品上实现了平面型金刚石肖特基二极管的研制(Ti/Cu欧姆接触和Cu肖特基接触)。进一步对肖特基势垒二极管电学性能测试表明:两个样品均有明显的整流性能,低掺硼浓度的平面型金刚石肖特基势垒二极管具有更优异的二极管特性,如整流比高达10~5(±4 V),理想因子和势垒高度分别为1.73和0.90 eV。本论文系统的研究了平面型金刚石肖特基二极管的制作工艺流程,进行了基本性能评估,并取得了较好的性能,将为实现平面型金刚石肖特基二极管在辐伏同位素电池的应用奠定坚实的理论基础。


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