绝缘衬底上化学气相沉积法生长石墨烯材料

利用化学气相沉积法,在Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底上生长石墨烯材料,研究石墨烯的表面形貌、缺陷、晶体质量和电学特性。原子力显微镜、光学显微镜和拉曼光谱测试表明,Si₃N₄覆盖层可以有效抑制3C-SiC缓冲层的形成;低温生长有利于保持材料表面的平整度,高温生长有利于提高材料的晶体质量。5.08 cm蓝宝石衬底上石墨烯材料,室温下非接触Hall测试迁移超过1000 cm²·V^-1·s^-1,方块电阻不均匀性为2.6%。相对于Si衬底和蓝宝石衬底,SiC衬底上生长石墨烯材料的表面形态学更好,缺陷更低,晶体质量和电学特性更好,迁移率最高为4900 cm²·V^-1·s^-1。     

基于Al_2O_3介质的Ga_2O_3 MOSFET器件制备研究

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在Fe掺杂半绝缘(010)Ga_2O_3同质衬底上外延得到n型β-Ga_2O_3薄膜材料,材料结构包括600 nm未掺杂的Ga_2O_3缓冲层和200 nmSi掺杂沟道层。对掺杂浓度为3.0×10~(17)和1.0×10~(18) cm~(–3)的样品进行了高温合金欧姆接触实验,在掺杂浓度为3.0×10~(17) cm~(–3)的样品上难以实现良好的欧姆接触,掺杂浓度为1.0×10~(18) cm~(–3)的样品实现了欧姆接触最低值(9.8W×mm)。基于掺杂浓度为1.0×10~(18) cm~(–3)的n型β-Ga_2O_3薄膜材料,采用原子层沉积的Al_2O_3作为栅下绝缘介质层,研制出Ga_2O_3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。栅压为2 V时,器件漏源饱和电流达到108 mA/mm,器件峰值跨导达到17 mS/mm。由于栅漏电特性较差,器件的三端击穿电压仅为23 V@V_(gs)=–12 V。采用高介电常数的HfO_2或者Al_2O_3/HfO_2复合结构作为栅下介质能够改善栅漏电特性,提升器件的击穿性能。     

电子级金刚石材料生长及其MESFET器件特性

采用直流电弧喷射法制备了电子级自支撑金刚石材料。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察金刚石膜表面形貌,用Raman光谱仪和X射线衍射仪进行晶体分析及表征,结果表明,金刚石薄膜为(110)择优取向,厚度均匀,电学性能稳定。研究了抛光转速和压力对金刚石膜抛光效率的影响,抛光处理后金刚石表面粗糙度(R ms)为0.569 nm。采用氢等离子体处理方法对该样品进行处理形成p型表面沟道,并采用自对准工艺制作出具有射频特性的金刚石场效应晶体管,其饱和电流密度为330.9 mA/mm,电流截止频率f T为9.3 GHz,最大振荡频率f max为18.5 GHz。     

SiC（0001）面衬底上自氧化栅介质和自对准形成石墨烯场效应晶体管

A scalable self-aligned approach is employed to fabricate monolayer graphene field-effect transistors on semi-insulated 4H-SiC （0001） substrates. The self-aligned process minimized access resistance and parasitic capacitance. Self-oxidized Al2O3, formed by deposition of 2 nm A1 followed by exposure in air to be oxidized, is used as gate dielectric and shows excellent insulation. An intrinsic cutoff frequency of 34 GHz and maximum oscillation frequency of 36.4 GHz are realized for the monolayer graphene field-effect transistor with a gate length of 0.2 μm. These studies show a pathway to fabricate graphene transistors for future applications in ultra-high frequency circuits.     

蓝宝石衬底上PECVD生长石墨烯及其气敏传感器

在蓝宝石衬底上,利用PECVD在相对较低的温度和相对短的时间制备石墨烯。实验发现,在950℃,生长15 min,可制备纳米晶石墨烯。所制备的石墨烯为双层结构,存在较多的缺陷,使得其适合用于制作气敏传感器。制作的纳米晶石墨烯气敏传感器对甲醛气体显示出良好的响应和恢复特性。分析发现纳米晶石墨烯中大量的晶界和褶皱使气体的吸附和解吸附能垒降低是其表现出良好气敏特性的主要原因。     

碳化硅衬底外延石墨烯

通过高温热解法和化学气相沉积(CVD)法在SiC(0001)衬底外延石墨烯。采用光学显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜、喇曼光谱、X射线光电子能谱和霍尔测试系统对样品进行表征,并对比了两种不同生长方法对石墨烯材料的影响以及不同的成核机理。结果表明,高温热解法制备的石墨烯材料有明显的台阶形貌,台阶区域平坦均匀,褶皱少,晶体质量取决于SiC衬底表面原子层,电学特性受衬底影响大,迁移率较低。CVD法制备的石墨烯材料整体均匀,褶皱较多,晶体质量更好。该方法制备的石墨烯薄膜悬浮在SiC衬底表面,与衬底之间为范德华力连接,电学特性受衬底影响小,迁移率较高。     

h-BN/Al2O3栅介质氢终端金刚石场效应晶体管

金刚石是实现高频大功率器件的理想候选材料,但是其较低的载流子迁移率制约了器件的性能,六方氮化硼(h-BN)作为氢终端金刚石场效应晶体管(FET)的栅介质材料有望提升金刚石材料的载流子迁移率。利用商业化大面积h-BN材料,制备了h-BN/Al₂O₃栅介质的氢终端金刚石FET,h-BN/Al₂O₃/氢终端金刚石材料的载流子迁移率得到提升,达到186 cm²/(V·s)。相较于Al₂O₃栅介质的金刚石FET,h-BN/Al₂O₃栅介质的金刚石FET最大饱和电流密度和最大跨导均得到提升,分别为141 mA/mm和9.7 mS/mm。通过电容-电压(C-V)测试计算了栅介质和金刚石间界面固定电荷密度和陷阱密度,h-BN/Al₂O₃栅介质的金刚石FET界面负固定电荷密度为5.4×10¹² cm^-2·eV^-1...     

金刚石在GaN功率放大器热设计中的应用

随着GaN功率放大器向小型化、大功率发展,其热耗不断增加,散热问题已成为制约功率器件性能提升的重要因素。金刚石热导率高达2 000 W/(m·K),是一种极具竞争力的新型散热材料,可用作大功率器件的封装载片。采用不同载片材料对一款热耗为53 W的GaN功率放大器进行封装。分别采用有限元仿真及红外热成像仪对放大器的芯片结温进行仿真和测试,结果显示,采用金刚石载片封装的放大器的结温比采用钼铜(MoCu30)载片封装的放大器的结温降低了30.01℃,约18.69%。同其他常用载片材料进行进一步对比得出,在相同工作条件下,采用金刚石载片封装的放大器结温最低,并且随着热耗增加,金刚石的散热能力更为突出。在芯片安全工作温度175℃以下,金刚石能满足GaN功率放大器100 W热耗的散热需求。     

SiC基GaN上多晶金刚石散热膜生长及其影响

通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,在SiC基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)异质结构材料上生长多晶金刚石散热膜,采用光学显微镜(OM)、拉曼光谱、非接触霍尔测试系统、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对生长样品进行表征,研究了生长温度、多晶金刚石散热膜厚度对GaN HEMT异质结构材料性能的影响。测试结果表明,当多晶金刚石生长温度为625℃,散热膜厚度为20μm时,GaN材料载流子迁移率降低9.8%,载流子浓度上升5.3%,(002)衍射峰半高宽增加40%。生长温度越高,金刚石散热膜的生长速率越快。当金刚石散热膜厚度相差不大时,生长温度越高,GaN所受拉应力越大,材料电特性衰退越明显。多晶金刚石高温生长过程中,金刚石引入的应力未对GaN结构产生破坏作用,GaN材料中没有出现孔洞等缺陷。