科技前沿|金刚石肖特基结高温与门电路

高频电子设备的急剧小型化导致单个组件的局部工作温度急剧升高。金刚石具有宽带隙、高热导率、高载流子迁移率、高击穿场、高载流子饱和速度和高位移能。这些特性使金刚石成为在高温、高压、高频和高辐射等极端环境中具有巨大应用价值的优秀候选材料。金刚石的各种电子器件已经广泛开展研究，包括MOSFET、散热器、探测器、核电池和电化学应用等。目前已经开发了几种高温金刚石器件，包括场效应晶体管（FET）和肖特基二极管。Ib型高温高压衬底由于其成本低、易获得，通常用于制造金刚石器件。通过在掺硼CVD层上蚀刻过量漂移来制造准垂直肖特基二极管，以形成良好的欧姆接触。然而蚀刻过程相对复杂，需要特定的蚀刻掩模，并且可能会将缺陷合并到漂移层中。另外用于不同功能（如NAND、NOR和NOT）的逻辑门电路可以利用金刚石MESFET和MOSFET构建。

哈尔滨工业大学研究团队通过选择性生长方法制备了准垂直金刚石肖特基二极管。在523和633 K时，整流比分别高达2×1011和7×109，显示出良好的高温性能。制作并测试了使用金刚石肖特基二极管的逻辑与门。由于金刚石的宽带隙特性，逻辑与门的高温工作温度高达633 K。本研究验证了高温下金刚石逻辑电路的可行性，为在特殊环境下制作金刚石芯片奠定了基础。

图1中展示了金刚石选择性生长肖特基器件制作流程图。使用具有（100）表面的高温高压合成金刚石作为基底，利用化学气相沉积工艺外延掺硼层。然后，利用光刻工艺制作Ti/Ru掩膜，结合化学气相沉积工艺选择性生长。最后制作肖特基电极，便获得了金刚石肖特基器件。

为了获得肖特基器件的势垒高度和理想因子，根据热电子发射模型绘制了不同温度下In(I)-V的曲线，如图2(a）所示。根据热电子子发射模型，当正向偏置电压远低于kT/q时，主要的传导机制是欧姆定律。注意，此处比较的值都是电压和电流的绝对值。当正向偏置远大于IRs时，串联电阻对正向电流有重要影响。当偏置在kT/q区域时

图2由热电子发射模型导出的参数:(a)In(I)-V曲线;(b）势垒高度和理想因子与温度的关系;(c）势垒高度与理想因子;(d)饱和电流绘制的理查森曲线;由特殊方法得出的参数:(e) dV/dIn(I)-l; (f) H(I)-l; (g）势垒高度和理想因子与温度的关系;(h）势垒高度与理想因子

表1   不同方法提取的器件的关键参数

图3 (a）基于金刚石肖特基二极管的逻辑与门测试图;(d)逻辑与门电路原理图;(c)与门的真值表。

图4 (a)波形发生器产生的输入方波信号(uB，10 kHz) ; (b-h)不同输入信号uA下的输出波形(VCC=5 V R0=10 kQ) ;不同负载电阻的输出波形(i)(R0=10 kQ，VCC=10 V，uA=5v)（j）(R0=2 MΩ ,VCC=10 v, uA=5 V)。

图4 (a）显示了波形发生器生成的输入方波信号ug。图4 (b-h）显示了具有不同输入信号uA的输出信号。我们可以将输出电压接近0 V的低电平值定义为真值表中的逻辑电平0，高于低电平、接近Vcc的值为真值表中的逻辑电平1。该电路成功地实现了与门的功能。

图5 (a)高温测量时uB的输入信号;不同uA (b)-5V和(c)5V的高温逻辑与门输出信号。

随着集成度的提高，散热已成为制约现代集成电子技术发展的重要因素。此外，深空探测、核电站、地热井筒监测和其他高温应用的应用使得有必要在高温下测试逻辑电路的性能。图5 (a）显示了高温测量时ug的输入信号。负载电阻和Vcc分别为40 kQ2和5 V。uA为-5 V、高温下的逻辑与门的输出信号如图5(b)所示。图5 (c)显示了在不同温度下输入信号ug为5V的与门的输出信号。从图中可以看出，器件在高温下依然具有良好的与门输出特性。到目前为止，本研究已经验证了由金刚石肖特基二极管组成的与门逻辑电路在633K的高温下工作良好。

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