氢终端金刚石表面制备高性能氧化钛栅极绝缘层的研究

Diamond is the most potential material for high power devices. Because doping is very difficult in diamond, the unique surface conductivity of hydrogen-terminated diamond (H-diamond) becomes a promising semiconductor channel for the development of field effect transistors (FET). However, this surface conductivity of H-diamond is not stable. It is difficult to fabricate high performance (high-dielectric constant and low leak current) gate insulator layer on H-diamond surface without damage of the surface conductivity, which limits the performance of H-diamond FET. Focusing on high-performance TiO2 gate insulator layer, this project proposes a novel technique to directly fabricate TiO2 gate insulator layer on H-diamond by low temperature oxidation of a thin titanium layer. This technique fabricate TiO2 gate insulator layer without any buffer layer or damage of the surface conductivity. This project will research the relations among dielectric constant, leak current, and micro structure of the TiO2 to obtain the methods to both improve the dielectric constant and reduce the gate leak current of the TiO2 gate insulator layer. The effect of the surface conductivity after the improved fabrication of TiO2 gate insulator layer will be clarified. High performance TiO2 gate insulator layer with high-dielectric constant and low leak current will be fabricated.

金刚石是发展电力电子器件最有潜力的材料。由于金刚石的掺杂十分困难，氢终端金刚石独特的表面电导层成了制备金刚石场效应晶体管的首选。然而，氢终端金刚石的表面电导层稳定性不佳，导致在其表面难以无损地制备高k值低漏电流的栅极绝缘层，限制了氢终端金刚石场效应晶体管的性能。本项目以制备高性能氧化钛栅极绝缘层为目标，提出了一种在氢终端金刚石表面低温热氧化金属钛薄层来制备氧化钛的方法。该方法可以在氢终端金刚石表面直接制备氧化钛栅极绝缘层，无需缓冲层，且不影响表面电导层。课题将研究氧化钛栅极绝缘层的k值和漏电流与材料微结构之间的关系，获得有效提高氧化钛k值的方法，建立氧化钛/金刚石的界面接触理论模型，掌握栅极漏电流的形成机理，获得抑制栅极漏电的方法；探明氧化钛栅极绝缘层制备及优化过程对氢终端金刚石表面电导层的影响；在氢终端金刚石表面制备出高k值低漏电流的高性能氧化钛栅极绝缘层。

场效应晶体管是电力电子功率器件的常见器件之一。栅极绝缘层对场效应晶体管的性能具有决定性的作用。通常栅极绝缘层为宽带隙的氧化物，制备方法为高温热氧化、原子层沉积、化学气相沉积等，一般需要较高的生长温度或氧化氛围。然而，氢终端金刚石表面沟道的热稳定性和化学稳定性不佳，难以采用以上方法。本工作主要集中在宽带隙材料的制备（低温热氧化和阳极氧化）和表征方面。我们研究了金属Ti膜厚度与氧化条件以及TiOx厚度与栅漏电流的关系，提出了一种多层多次低温氧化形成TiOx的方法。利用该方法在氢终端金刚石表面上制备15nm的TiOx绝缘栅层，其具有较低的界面陷阱密度，介电常数（k）达到12，电容密度高达0.75 µF/cm2。利用该结构制备了氢终端金刚石场效应晶体管，金刚石的氢终端沟道并没有受到低温氧化法制备的TiOx的影响，器件的开关比大于108，截止漏电流仅为10-13A，输出最大电流密度为3.9 mA/mm，并具有较好的亚阈值摆幅。此外，我们通过阳极氧化法制备了同为宽禁带半导体材料的超细氧化锆纳米管，纳米管的直径仅为25nm。我们分离出单根氧化锆纳米管，首次制备了背栅的单根ZrO2纳米管场效应管，研究了它在不同温度下的电学性质。实验结果表明，单根氧化锆纳米管在室温下为典型的P型空穴累积型导电，空穴浓度为2.8×1018cm-3，空穴迁移率为0.03 cm2 V -1s-1。单根氧化锆纳米管在不同温度下的I-V曲线展示出其具有明显的半导体材料的特性，在低温下空穴浓度快速降低，但空穴迁移率却快速提高。器件的电流受空穴浓度和迁移率互相补偿，从而在低温下表现出饱和特性。以上工作为栅极绝氧化层的制备和性质研究提供了新的思路，为氢终端金刚石表面无损制备高介电常数栅极绝缘层奠定了基础。