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宽禁带半导体器件的研制及其测量技术

2020-12-05阅读(953)

宽禁带半导体器件的研制及其测量技术

论文摘要

本学位论文围绕由宽禁带半导体材料SiC和ZnO构成的紫外光电探测器的研制以及宽禁带半导体材料电阻率测量仪器的研制这两方面展开,详细介绍了宽禁带半导体材料ZnO和SiC的性质、材料制备及器件方面的研究,介绍了两者在紫外光电探测器件方面的应用,并重点介绍了四种不同结构的紫外探测器工艺流程、I-V特性、光谱响应特性以及光谱响应随温度、电压的变化,最后还介绍了一台我们研制的基于高精度恒流源的高阻抗四探针测试仪,给出了该四探针测试仪的硬件电路、软件流程等。宽带隙（WBG）半导体材料ZnO具有禁带宽、激子能量大、高化学稳定性和热稳定性等特点,使得目前高质量ZnO材料和器件的制备成为国际上的研究热点之一。目前ZnO薄膜已经广泛应用于气体传感器、太阳能电池、紫外光电探测及激光器等众多领域。同为宽带隙半导体材料的SiC具有高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优点,特别适合制作光电子、抗辐射、高频、大功率、高温、高压等方面的半导体器件。在一些要求较高的器件方面,SiC已经取代传统的Si成为国际上新的研究热点之一。本论文的研究工作和研究成果主要有:1)Au/n-ZnO/Au MSM结构的紫外增强光电探测的研制通过对该器件工艺的介绍,重点分析了该器件的I-V特性和光电流特性,实验结果表明该器件的光谱响应范围从200nm的紫外光波段到可见光波段,具备制成紫外探测器的条件。当工作在4V以上偏置电压时,电容小于3pF,可望用于较高频的环境。2)Au/n-4H-SiC肖特基紫外光电探测器的研制介绍了该肖特基器件的工艺流程,重点分析了该器件的光谱响应随偏置电压和环境温度的变化,实验结果表明该器件在高温、高压的极限条件下仍然保持着良好的I-V特性及光谱响应特性。该器件光谱响应范围200～400nm,反偏压下光谱响应灵敏度提高,当工作温度高于260℃时,该器件仍然保持良好的紫外响应特性。3)Au/n-ZnO/p-Si结构的紫外增强光电三极管的研制提出了一种以肖特基结作发射极、异质结作集电极的双极型紫外增强型光电三极管（SHBT）,测量了该三极管的I-V特性和光谱响应特性。实验结果表明该器件增强了对200nm到400nm之间的紫外波段光谱响应的灵敏度,同时保留了普通硅基光电三极管的可见光特性,其在370nm处紫外光响应灵敏度相比ZnO/Si异质结紫外光电探测器有着5～10倍的提高。4)Au/n-ZnO/p-SiC结构的紫外光电探测器的研制对该结构的器件I-V特性和光谱响应特性进行了测量并做了理论上的分析。实验结果表明此结构紫外光电探测器具有良好的紫外响应特性和较低的反向漏电流以及很低的结电容。器件光谱响应范围200～400nm,响应峰值在313nm,响应半宽65nm。室温下,反向工作电压大于5V,反向击穿电压达到70V。5)高阻抗四探针测试仪的研制针对目前对宽禁带半导体材料电阻率测量的需求,研制了一台基于精密恒流源电路的高阻抗四探针测试仪,给出了该四探针测试仪的硬件电路和软件流程。其电流源模块量程为lnA-100mA,最小电流分辨率0.5pA,输出电压最高达200V;电压测量模块量程为20mV-2V,输入阻抗高达1013Ω。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 宽禁带半导体
  • 1.2 本论文的主要工作
  • 参考文献
  • 第二章 ZnO的性质、材料制备和研究现状
  • 2.1 ZnO的性质
  • 2.1.1 ZnO的品格结构
  • 2.1.2 ZnO薄膜紫外受激发射
  • 2.1.3 ZnO的透明导电特性
  • 2.1.4 ZnO的气敏特性
  • 2.1.5 ZnO的压敏特性
  • 2.1.6 ZnO的p-n结特性
  • 2.2 ZnO材料的制备
  • 2.2.1 溅射法（sputtering）
  • 2.2.2 脉冲激光淀积（PLD）法
  • 2.2.3 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）
  • 2.2.4 化学气相沉积法（CVD）
  • 2.2.5 喷雾热解法（Spray Pyrolysis）
  • 2.2.6 溶胶凝胶法（Sol-Gel）
  • 2.2.7 原子层外延生长法（ALE）
  • 2.2.8 蒸发法
  • 2.2.9 其它技术
  • 2.3 ZnO掺杂技术简介
  • 2.4 ZnO器件研究现状
  • 2.4.1 压电器件
  • 2.4.2 太阳能电池
  • 2.4.3 气敏元件
  • 2.4.4 压敏元件
  • 2.4.5 紫外探测器
  • 2.4.6 发光器件
  • 参考文献
  • 第三章 SiC的性质、材料制备和研究现状
  • 3.1 SiC的基本性质
  • 3.1.1 SiC的多型结构
  • 3.1.2 SiC的光学性质
  • 3.1.3 SiC的电学性质
  • 3.1.4 SiC的热稳定性
  • 3.1.5 SiC的化学性质
  • 3.1.6 SiC的掺杂
  • 3.2 SiC材料的制备
  • 3.2.1 SiC单晶生长
  • 3.2.2 SiC单晶缺陷
  • 3.2.3 SiC薄膜生长
  • 3.2.4 SiC薄膜缺陷
  • 3.3 SiC器件研究现状
  • 3.3.1 肖特基势垒二极管（SBD）
  • 3.3.2 紫外光电器件
  • 3.3.3 功率MOSFET
  • 3.3.4 异质结器件
  • 3.3.5 开关器件
  • 3.3.6 在微电子机械系统（MEMS）的应用
  • 参考文献
  • 第四章 Au/n-ZnO/Au MSM结构紫外增强光电探测器
  • 4.1 光电探测器理论
  • 4.1.1 光电导探测器
  • 4.1.2 光伏型探测器
  • 4.1.3 光电探测器的参数
  • 4.2 原型器件的制备
  • 4.3 样品测试与分析
  • 4.3.1 I-V特性
  • 4.3.2 C-V特性
  • 4.3.3 光电流特性
  • 4.3.4 光电导特性
  • 4.3.5 光生伏特效应
  • 4.3.6 器件照片
  • 4.4 结论和工作展望
  • 参考文献
  • 第五章 Au/n-4H-SiC肖特基紫外光电探测器
  • 5.1 引言
  • 5.2 原型器件的制备
  • 5.3 SiC肖特基紫外探测器基本原理
  • 5.4 样品测试与分析
  • 5.4.1 I-V特性
  • 5.4.2 C-V特性
  • 5.4.3 光谱响应特性
  • 5.4.4 光谱响应特性随偏压的变化
  • 5.4.5 光谱响应特性随温度的变化
  • 5.4.6 量子效率
  • 5.4.7 共阴双肖特基SiC紫外探测器
  • 5.4.8 器件照片
  • 5.5 结论和工作展望
  • 参考文献
  • 第六章 Au/n-ZnO/p-Si结构紫外增强光电三极管
  • 6.1 引言
  • 6.2 原型器件的制备
  • 6.3 样品测试与分析
  • 6.3.1 I-V特性
  • 6.3.2 光电流特性
  • 6.3.3 器件照片
  • 6.4 结论和工作展望
  • 参考文献
  • 第七章 Au/n-ZnO/p-SiC结构的紫外光电探测器
  • 7.1 引言
  • 7.2 原型器件的制备
  • 7.3 样品测试与分析
  • 7.3.1 I-V特性
  • 7.3.2 光电流特性
  • 7.3.3 光生功率及效率
  • 7.3.4 结电容特性
  • 7.3.5 器件照片
  • 7.4 结论和工作展望
  • 参考文献
  • 第八章 宽禁带半导体材料电阻率的测量:四探针测试仪
  • 8.1 引言
  • 8.2 四探针测量电阻率的基本原理
  • 8.2.1 四探针测量电阻率的基本方法
  • 8.2.2 常规四探针电阻率测量的基本原理
  • 8.2.3 四探针电阻率的准测条件分析
  • 8.2.4 测量电流对测量结果的影响和求最佳电流
  • 8.3 高阻抗四探针测试仪的硬件电路设计
  • 8.3.1 总体方案设计
  • 8.3.2 恒流源电路设计
  • 8.3.3 高阻抗数字电压表电路设计
  • 8.3.4 电源电路设计
  • 8.3.5 主板控制电路设计
  • 8.4 电路的可靠性问题
  • 8.4.1 常见的绝缘材料的性质及其比较
  • 8.4.2 泄露电流
  • 8.4.3 静电干扰和屏蔽
  • 8.5 高阻抗四探针测试仪的软件设计
  • 8.5.1 数字电压表程序流程
  • 8.5.2 主极控制单片机程序流程
  • 8.5.3 四探针自动量程的电流设置
  • 8.6 结论和工作展望
  • 参考文献
  • 第九章 总结
  • 攻读博士学位期间发表的论文目录
  • 致谢

    • 相关论文文献

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