电极间距对选择性外延金刚石肖特基二极管温度传感器性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Influence of electrode spacing on the performance of selectively epitaxial diamond Schottky diode temperature sensors

　　

摘要

本研究系统地研究了在高达723?K的广泛温度范围内，阳极与阴极间距对通过选择性外延生长制备的金刚石肖特基势垒二极管温度感知性能的影响。研究发现，间距的变化对选择性外延金刚石层的晶体质量并无显著影响。当间距从30微米增加到60微米时，电压灵敏度从1.98毫伏/开尔文显著提升至3.87毫伏/开尔文，这主要得益于电极间距增大导致的温度依赖性串联电阻增加。值得注意的是，在较高温度（>523?K）下，正向电压变化率出现明显减缓，这说明传输机制从低温下以电阻为主的模式转变为高温下由纯肖特基势垒控制的模式。此外，所有制备的器件都展现出比传统铂热敏电阻更快的动态响应速度。这些研究结果为优化基于选择性外延生长金刚石肖特基势垒二极管的温度检测器的结构设计提供了重要的实验依据。

引言

在热处理、冶金以及航空航天等领域中，温度是一个至关重要的参数[[1], [2], [3]]。作为温度监测与调控的基本组件，温度传感器在各种应用中发挥着检测、控制及预警温度变化的关键作用。在微电子领域，温度会直接影响半导体器件的电气性能、运行可靠性以及使用寿命。精确的温度感知对于确保芯片、集成电路以及微/纳米器件的稳定运行至关重要，它有助于实现工艺优化并提升性能。此外，这类传感器还为微/纳米电子系统的微型化与集成提供了重要的技术支持[4,5]。金刚石是一种出色的半导体材料，以其宽带隙（300?K时约为5.45?eV）、高击穿电场（大于10?MV/cm）以及优异的热导率（约为22?W/(cm·K)）而闻名[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。目前，基于金刚石的器件研究涵盖了紫外线检测[12]、辐射感应[13]、量子技术[14]以及压力监测[15]等诸多应用领域。在这种背景下，金刚石为克服传统温度传感器在极端工作条件下的局限性提供了一种极具前景的解决方案。

近期，基于金刚石的温度传感器在极端环境以及高功率电子系统中的应用方面取得了显著进展。谢等人开发了一种采用肖特基-pn结二极管结构的准垂直型金刚石温度传感器。该传感器在295-600?K的温度范围内工作，当电流密度为1×10^?3安培/平方厘米时，其最大灵敏度可达5.31毫伏/开尔文，这一性能优于基于碳化硅和氮化镓的传统传感器。其结构设计还便于将其集成到基于金刚石的功率器件中[16]。洛巴耶夫等人则报道了一种单片集成在单个金刚石芯片上的伪垂直型金刚石肖特基二极管温度传感器。该传感器在21-210?°C的温度范围内具有2.4-3毫伏/摄氏度的灵敏度，响应延迟小于0.5毫秒，测量误差在±2?摄氏度以内。尤为重要的是，该传感器凭借300伏的高击穿电压以及较低的漏电流，能够实现对功率二极管自热现象的实时监测。这些特性凸显了其在功率电子领域实现集成化且可靠的热管理方面的巨大潜力[17]。巴尔奇等人则基于铝/(硫掺杂类金刚石)/p-硅/金结构制造了一种金属-绝缘体-半导体温度传感器，其中硫掺杂类金刚石被用作界面层。该传感器可在200-440?K的温度范围以及0.1-1兆赫的频率范围内工作，灵敏度为21.2-29毫伏/开尔文。其电气行为受两种不同的温度依赖性导电机制调控。值得注意的是，随着温度的升高，串联电阻会显著下降，而界面态密度则既与温度有关，也与频率相关。这些特点使得该器件非常适合用于中高温感知应用[18]。

在各类结构中，肖特基二极管结构因其出色的线性度而具有明显优势[2]。然而，传统的金刚石短基区二极管通常依赖于硼掺杂，而这会导致其灵敏度相对较低。为了解决这一问题，梁等人采用了选择性外延制备技术，从而显著提升了传感器的灵敏度[19]。同样，我们之前的研究也通过在对本征金刚石层进行选择性外延处理来提升传感器性能[20]。最近，金属/半导体二极管的各种温度依赖性电气参数以及电流传输机制引起了广泛关注[[21], [22], [23], [24]]。了解界面特性，比如势垒高度的不均匀性以及界面态的作用，对于优化高温传感器而言至关重要。先前的研究表明，理想热电子发射理论之外的偏差往往可以归因于势垒高度的高斯分布。不过，对于选择性外延生长金刚石肖特基二极管的电流传输机制进行系统研究，尤其是探究基本电气参数与电极间距之间的相互作用，仍然是一项非常有意义的课题。

为了建立结构与性能之间的关系，本研究以阳极与阴极之间的距离这一关键设计参数为重点，探讨其对传感器性能指标的影响。

章节节选

实验部分

图1(a)展示了所制备器件的结构示意图。首先通过光刻技术在金刚石基底上绘制出交错的钨制阴极电极，随后通过溅射和剥离工艺完成电极的制作。这些电极随后被用作通过微波等离子体化学气相沉积法沉积金刚石外延层的掩模。在外延生长完成后，样品表面经过氧等离子体处理，以转化氢终端结构

结果与讨论

图2(a)–(d)展示了在四种不同阳极-阴极间距条件下选择性生长的金刚石层的拉曼光谱。每种光谱都在大约1332?厘米^?1处显示出典型的金刚石峰[25]，其半高宽值始终在5.9到6.1?厘米^?1之间。这表明，在所研究的间距范围内，外延层的晶体质量、结构完整性以及化学均匀性基本上没有受到间距变化的影响。因此，

结论

综上所述，本研究系统地分析了在高达723?K的广泛温度范围内，阳极与阴极间距对选择性生长的外延金刚石肖特基二极管温度传感器温度感知性能的影响。实验结果表明，当电极间距从30微米增加到60微米时，电压灵敏度会从1.98毫伏/开尔文显著提升至3.87毫伏/开尔文，这一提升主要源于伴随间距增大而出现的串联电阻增加

作者贡献说明

罗翔：概念构思、研究实施、初稿撰写。王文谦：数据整理。刘长成：概念构思、指导监督、审稿与编辑。王晓：指导监督。李阳：指导监督。陈志伟：指导监督。刘涛：方法设计。江丰秋：研究实施、方法设计。张鹏飞：方法设计、审稿与编辑。敖金平：指导监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFE0205100）、中国国家自然科学基金（编号：62504093）、江苏省基础研究计划（编号：BK20251591）、江苏省重点研发计划（编号：BE2023007-1、BG2024019）以及中央高校基本科研业务费（编号：JUSRP202501032）的支持。

罗翔|王文谦|刘长成|王晓|李阳|陈志伟|刘涛|江丰秋|张鹏飞|敖金平

中国江苏省无锡市江南大学集成电路学院，MEMS传感器与ASIC制造技术江苏省重点实验室，邮编214401