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快速热处理RTP在diamond器件中的应用

来源：武汉嘉仪通科技有限公司分类：工作原理 2024-04-12 18:45:03 94阅读次数

金刚石，这种自然界中最坚硬的物质，因其独特的物理和电学性能，在高功率电子器件领域引起了广泛的关注。其优异的宽带隙、高击穿场强度、高载流子迁移率、低介电常数以及高导热系数等特性^[1,2]，使得金刚石在电子器件领域具有无可比拟的优势。

然而，如何在金刚石肖特基二极管中实现双势垒平面结构，以降低正向偏置电压和反向漏电流密度，从而满足金刚石功率肖特基势垒二极管（SBD）的应用仍面临着一些挑战。

西安交通大学wang等^[3]人采用快速热退火的方法制备了只有Ni肖特基接触的双势垒平面（DBP）结构金刚石肖特基势垒二极管（SBDs）。首先在p-层上形成Ni/Au窄条纹图案，在550?C下退火，以降低肖特基势垒高度，形成低势垒接触。然后，在条纹之间的窗口区域沉积Ni/Au肖特基电极，作为高势垒接触。在p+金刚石衬底的背面形成了Ti/Pt/Au欧姆接触。与单个高势垒二极管相比，所制备的DBP结构sbd具有较低的正向电压下降，且反向泄漏电流密度比单个低势垒二极管小2~3个数量级。研究了条纹面积比例对器件性能的影响，可以通过改变双势垒比来调节势垒高度。这种新型器件结构的小功耗为0.54 W/cm2，是一种很有前途的高功率金刚石二极管技术。

图1 金刚石二极管DBP的制备工艺流程图

金刚石DBP结构的制造工艺流程如图1所示，（a）MPCVD外延生长，（b) UV/O3处理获得氧金刚石表面，（c）形成欧姆接触（420℃@10min，Ar气氛），（d）沉积镍/金窄条纹，（e) RTA处理形成低势垒接触和第二UV/O₃处理补偿氧原子的部分解吸，和（f）沉积镍/金肖特基电极作为高势垒接触（550℃@30min，Ar气氛）。

如图2所示，Ni/金刚石肖特基二极管在退火处理后的J-V特性曲线显示，其正向和反向电流水平均得到了显著提升。具体而言，肖特基势垒高度从原先的2.55V降低至了0.89V。这一变化再次证实了高温条件下金属与金刚石表面碳原子的反应能够降低肖特基势垒高度。考虑串联电阻RS的L_as-dep-SBD和L_RTA-SBD的Nss的能量分布曲线如图2右图所示。我们可以观察到，在RTP处理后，N_ss有显著的降低。因此，Φ_B-CV和Φ_B-IV之间的差值的减小是由于退火后界面态密度的降低，这与报道的文献^[⁴^]一致。

图2 Ni/Au-金刚石SBD在RTA处理前后的J-V特性，插图是线性尺度的I-V图；L_as-dep-SBD和L_RTA-SBD界面态密度的能量分布分布

另外，图3展示了不同结构金刚石肖特基二极管的正向和反向J-V特性曲线。从图中可以看出，DBP结构二极管与L_R_TA-SBD在正向J-V特性上呈现出相似性，但在反向J-V特性上却存在显著差异。具体而言，DBP结构二极管的反向漏电流较高，且其反向偏置行为并未完全展现出截止特性。这一现象可能与空间电荷区域的扩展和掺杂浓度等因素相关。值得一提的是，尽管DBP结构二极管的反向击穿电压与H-SBD相近，但其反向漏电流却相对较高。

图3 L_RTA-SBD、DBP1-SBD、DBP2-SBD和H-SBD的正反向J-V特征

快速退火炉中的高温可以降低金刚石表面与金属接触的势垒，从而降低肖特基势垒高度，提高金刚石肖特基二极管的性能。这是因为高温可以促使金属与金刚石表面的碳原子发生反应，形成碳化物层，从而降低肖特基势垒高度。

高稳定性和高功率的diamond二极管器件具有的低正向偏置电压和低反向漏电流密度也源于RTP快速退火炉的良好表现，RTP系列产品是武汉有限公司的核心产品，在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势，形成鲜明的行业竞争力，为高质量薄膜材料提供了快速升降温、精准控温的高均匀性的高温场和气氛保护，具体表现在：

√ 快速升温的高温场能够促进金属层/碳层的热扩散，获得更低的接触电阻，形成欧姆接触；

√ 高温条件有助于金属与金刚石表面的碳原子发生反应，形成了碳化物层，从而实现了势垒的降低，形成低势垒的肖特基接触。

√ 气氛填充有助于避免金属电极或碳材料的高温氧化，降低表面电阻率，或者不同流速的调控可以对反应速率进行细微控制。

此外，嘉仪通快速退火炉（RTP，Rapid Thermal Processing）产品，采用红外辐射加热及冷壁技术，可实现对薄膜材料的快速升温和降温，同时搭配超高精度的温度控制系统，可达到极佳的温场均匀性和稳定性。

嘉仪通()快速退火炉系列可处理1-12吋样品，对材料的金属合金化、快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。

参考文献：

[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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