沟槽式肖特基势垒二极管电学性能研究

【摘要】自从平面肖特基二极管产生以来,就受到了人们的高度关注。平面肖特基二极管具有优异的高频特性和较低的正向开启电压,这些独特的性质使得其在太阳能电池,开关电源、汽车以及手机等多个领域都有着巨大的应用潜力。但是,在反向偏压下,镜像力导致的势垒降低效应,导致了平面肖特基二极管阻断能力差的缺点。为了解决这个问题,人们提出了各种新结构器件,主要有两个肖特基结相结合的双势垒金属肖特基结二极管器件、利用PN结与肖特基结结合的含PN结构的肖特基二极管,以及利用金属-氧化物-半导体结构和肖特基结结合的沟槽式势垒肖特基二极管(TMBS),但是TMBS由于优异的高频特性及结构参数的易调性,受到了更为广泛的关注。本文致力于研究沟槽形状、沟槽内壁氧化物的构成对沟槽式势垒肖特基二极管的电学性能的影响,并且在集成电路代工厂中尝试使用钛作为势垒金属的TMBS器件的工艺研究。具体工作如下：首先,我们通过仔细研究传统的直角沟槽TMBS器件(传统TMBS)的工作原理,并深入挖掘其基本器件结构参数-沟槽深度、沟槽间距及沟槽内壁氧化物厚度对器件电学性能参数-击穿电压、漏电流密度及正向导通电压的影响,在此过程中,我们发现了沟槽形状对于传统TMBS器件的性能有着重要的影响。于是我们设计了两种具有不同形状沟槽(圆角形状沟槽和阶梯形状沟槽)的TMBS器件,并且通过使用器件模拟软件Medici对器件性能进行了模拟。模拟结果表明,在维持同样的漏电流和正向导通电压的条件下,圆角沟槽TMBS器件(圆角TMBS(?)比传统TMBS的击穿电压增加了15.8%；阶梯沟槽TMBS器件(阶梯TMBS)与传统TMBS相比,可以在不减小器件击穿电压的情况下,实现漏电流密度有35%的降低,同时正向导通电压只是略有增加。尽管在以上研究中我们通过使用阶梯沟槽的器件结构改进,能够实现漏电流密度相对传统TMBS器件降低35%,但是毕竟也是以牺牲了一点器件的正向导通特性为代价的。经过分析,我们发现,改善器件的反向阻断特性,不只是可以利用阶梯沟槽,我们发现将器件的沟槽内壁氧化物构成从单一材料,变为两种材料后(上部使用高介电常数材料,下部使用二氧化硅)(以下称此结构的TMBS器件为高介电常数栅介质材料TMBS),不仅可以达到减小器件漏电的效果,很重要的一点是,这样做并没有像阶梯TMBS那样减小器件金属半导体界面上的有效肖特基结面积,所以也就不会增加器件的正向导通电压。模拟结果显示,在本论文我们所使用的模拟条件下,高介电常数栅介质材料TMBS器件的漏电流密度比传统的TMBS器件降低了19.8%,同时器件的击穿电压和正向导通特性都没有降低。另外,我们为了实现TMBS器件制作工艺与代工厂里的传统CMOS工艺相融合,从而降低TMBS器件的生产成本,我们在代工厂里进行了Ti做肖特基势垒金属的TMBS器件(45V、10A正向过电流能力)工艺探索。虽然还未完全成功,但是目前取得一些阶段性结果,列出供大家参考。然后,由于我在研究TMBS器件之前,做了一些葡萄糖传感器方面的研究,并有一些不错的成果,所以本论文中我也将此部分内容列出。本部分的主要研究工作为,我们成功合成出均匀分散铂纳米颗粒的聚苯胺水凝胶复合材料,并用此材料作为载体来负载葡萄糖氧化酶制作出葡萄糖传感器,由于我们复合材料优异的物理化学及生物特性,使得我们制作的葡萄糖传感器具有优异的性能：96.1μA·mM-1·cm2的高灵敏度,3s的平均响应时间,0.01-8mmol/L的线性检测区间,0.7μmmol/L的最低检查极限。最后,我们对TMBS器件的后续研究进行了展望,其中对于圆角TMBS,我们希望进一步优化模拟条件,研究圆角的曲率半径对于器件的电学性能参数的影响,这对于指导实际器件制作有重要的意义；另外我们希望进一步研究我们所设计的器件在可靠性方面的问题；此外我们知道尽管硅基器件的工艺已经非常成熟,而且目前市场上多数半导体器件仍是硅基器件,但是在对硅限的清楚认识下,我们也需要通过改变器件中使用的半导体体系材料,来达到更好的器件性能,满足市场日益发展的需求,下一步我们希望进一步了解SiC基肖特基二极管方面的理论,进行相关的模拟,并且进行SiC半导体器件工艺的深入研发。
【作者】翟东媛；
【导师】郑有炓；赵毅；潘力佳；
【作者基本信息】南京大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】肖特基二极管；沟槽式肖特基势垒二极管；击穿电压；漏电流密度；正向导通电压；

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