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快速熱處理RTP在diamond器件中的應用
- 分類： 行業知識
- 作者：周酉林
- 來源：本站
- 發布時間：2024-04-25
- 訪問量： 360
【概要描述】金剛石，這種自然界中最堅硬的物質，因其獨特的物理和電學性能，在高功率電子器件領域引起了廣泛的關注。其···
快速熱處理RTP在diamond器件中的應用
【概要描述】金剛石，這種自然界中最堅硬的物質，因其獨特的物理和電學性能，在高功率電子器件領域引起了廣泛的關注。其···
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金剛石，這種自然界中最堅硬的物質，因其獨特的物理和電學性能，在高功率電子器件領域引起了廣泛的關注。其優異的寬帶隙、高擊穿場強度、高載流子遷移率、低介電常數以及高導熱系數等特性[1,2]，使得金剛石在電子器件領域具有無可比擬的優勢。
然而，如何在金剛石肖特基二極管中實現雙勢壘平面結構，以降低正向偏置電壓和反向漏電流密度，從而滿足金剛石功率肖特基勢壘二極管（SBD）的應用仍面臨著一些挑戰。
西安交通大學wang等[3]人采用快速熱退火的方法制備了只有Ni肖特基接觸的雙勢壘平面（DBP）結構金剛石肖特基勢壘二極管（SBDs）。首先在p-層上形成Ni/Au窄條紋圖案，在550?C下退火，以降低肖特基勢壘高度，形成低勢壘接觸。然后，在條紋之間的窗口區域沉積Ni/Au肖特基電極，作為高勢壘接觸。在p+金剛石襯底的背面形成了Ti/Pt/Au歐姆接觸。與單個高勢壘二極管相比，所制備的DBP結構sbd具有較低的正向電壓下降，且反向泄漏電流密度比單個低勢壘二極管小2~3個數量級。研究了條紋面積比例對器件性能的影響，可以通過改變雙勢壘比來調節勢壘高度。這種新型器件結構的小功耗為0.54 W/cm2，是一種很有前途的高功率金剛石二極管技術。
圖1 金剛石二極管DBP的制備工藝流程圖
金剛石DBP結構的制造工藝流程如圖1所示，（a）MPCVD外延生長，（b) UV/O3處理獲得氧金剛石表面，（c）形成歐姆接觸（420℃@10min，Ar氣氛），（d）沉積鎳/金窄條紋，（e) RTA處理形成低勢壘接觸和第二UV/O3處理補償氧原子的部分解吸，和（f）沉積鎳/金肖特基電極作為高勢壘接觸（550℃@30min，Ar氣氛）。
如圖2所示，Ni/金剛石肖特基二極管在退火處理后的J-V特性曲線顯示，其正向和反向電流水平均得到了顯著提升。具體而言，肖特基勢壘高度從原先的2.55V降低至了0.89V。這一變化再次證實了高溫條件下金屬與金剛石表面碳原子的反應能夠降低肖特基勢壘高度。考慮串聯電阻RS的Las-dep-SBD和LRTA-SBD的Nss的能量分布曲線如圖2右圖所示。我們可以觀察到，在RTP處理后，Nss有顯著的降低。因此，ΦB-CV和ΦB-IV之間的差值的減小是由于退火后界面態密度的降低，這與報道的文獻[4]一致。
圖2 Ni/Au-金剛石SBD在RTA處理前后的J-V特性，插圖是線性尺度的I-V圖；Las-dep-SBD和LRTA-SBD界面態密度的能量分布分布
另外，圖3展示了不同結構金剛石肖特基二極管的正向和反向J-V特性曲線。從圖中可以看出，DBP結構二極管與LRTA-SBD在正向J-V特性上呈現出相似性，但在反向J-V特性上卻存在顯著差異。具體而言，DBP結構二極管的反向漏電流較高，且其反向偏置行為并未完全展現出截止特性。這一現象可能與空間電荷區域的擴展和摻雜濃度等因素相關。值得一提的是，盡管DBP結構二極管的反向擊穿電壓與H-SBD相近，但其反向漏電流卻相對較高。
圖3 LRTA-SBD、DBP1-SBD、DBP2-SBD和H-SBD的正反向J-V特征
快速退火爐中的高溫可以降低金剛石表面與金屬接觸的勢壘，從而降低肖特基勢壘高度，提高金剛石肖特基二極管的性能。這是因為高溫可以促使金屬與金剛石表面的碳原子發生反應，形成碳化物層，從而降低肖特基勢壘高度。
高穩定性和高功率的diamond二極管器件具有的低正向偏置電壓和低反向漏電流密度也源于RTP快速退火爐的良好表現，RTP系列產品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢，形成鮮明的行業競爭力，為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、精準控溫的高均勻性的高溫場和氣氛保護，具體表現在：
√ 快速升溫的高溫場能夠促進金屬層/碳層的熱擴散，獲得更低的接觸電阻，形成歐姆接觸；
√ 高溫條件有助于金屬與金剛石表面的碳原子發生反應，形成了碳化物層，從而實現了勢壘的降低，形成低勢壘的肖特基接觸。
√ 氣氛填充有助于避免金屬電極或碳材料的高溫氧化，降低表面電阻率，或者不同流速的調控可以對反應速率進行細微控制。
此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術，可實現對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統，可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。
嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產起到重要作用。
參考文獻：
[1]Huang A Q. New unipolar switching power device figures of merit[J]. IEEE Electron Device Letters, 2004, 25(5): 298-301.
[2]Isberg J, Hammersberg J, Johansson E, et al. High carrier mobility in single-crystal plasma-deposited diamond[J]. Science, 2002, 297(5587): 1670-1672.
[3] Wang J, Zhao D, Shao G, et al. Fabrication of dual-barrier planar structure diamond Schottky diodes by rapid thermal annealing[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, 68(3): 1176-1180.
[4]Gupta S K, Azam A, Akhtar J. Improved electrical parameters of vacuum annealed Ni/4H-SiC (0 0 0 1) Schottky barrier diode[J]. Physica B: Condensed Matter, 2011, 406(15-16): 3030-3035.
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