[ناصر اللحياني]

اسـم الطالب:
حسين بن عبدالرحمن البركاتي
المشرف:
د. صلاح الدين حسن جمال ، د.فهد مسعود المرزوقي ، د.سعيد سعد الأمير

عنوان الرسالة:

مقومات الجهد العالي لأشباه الموصلاتذات فجوة الحزمة العريضة

أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة تعرّف بأنها أشباه الموصلات ذات فجوة في حزمة طاقة أكبر من أو تساوي 2.2 إليكترون فولت. مثل كربيد السليكون و نتريتيد الجاليوم و الكربون. ولها خواص كهربائية وحرارية تجعلها صالحة للاستخدام في نبائط القدرة العالية والحرارة العالية.وذلك بسبب ارتفاع جهدها الحرج وجودة توصيلها الحراري. ويعتبر كربيد السليكون الأكثر تطوراً في التنمية البلورية من بين أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة. في هذه الدراسة قمنا بتحليل عملي ونظري لوصلات ثنائية من الذهب-كربيد السيلكون. حيث قمنا عمليا بإعداد هذه الوصلات من الذهب-كربيد السيلكون ودراسة خصائصها الكهربائية كدالة في درجة الحرارة. إضافة إلى ذلك قمنا بالمقارنة نظرياً بين استخدام السيلكون ونوعين من كربيد السيلكون هما 4H و 6Hفي ثنائيات الجهد العالي. تم تحضير وصلات المعدن-شبه الموصل عن طريق تبخير الذهب حراريا على شرائح من كربيد السيلكون4H-SiC. وقد تم التبخير على شريحتين من كربيد السيلكون إحداهما موجبة وذات تشويب خفيف والأخرى سالبة وذات تشويب عالي.و قد تم قياس السعة-فرق الجهد (س-ج) وشدة التيار –فرق الجهد (ت-ج) كدالة في درجة الحرارة لكل من الوصلتين.وتم تعيين ارتفاع الحاجز و تركيز الشوائب من قراءات س-ج. وصلة الذهب-كربيد السيلكون الموجبة كانت مقوم جيد جدا حتى في درجات حرارة عالية تصل إلى 400o م.حيث كان معامل المثالية 1.73 في درجة حرارة الغرفة ويقل إلى 1.27 في درجة حرارة 400o م والتيار المستقر كان 2×10-16 أمبير/سم2 في درجة حرارة الغرفة ويزيد إلى 1×10-6 أمبير/سم2 في درجة حرارة400 o م.أما وصلة الذهب-كربيد السيلكون السالبة فقد كانت مقومة في درجات الحرارة المنخفضة ولكنها تصبح غير مقومة في درجة حرارة أعلى من 200o م. التحليل النظري المعتمد على الخصائص الفيزيائية لكربيد السيلكون أوضح أنه من الممكن الحصول على ثنائيات عالية الجهد من كربيد السيلكون باستخدام عينة تركيز الشوائب فيها يساوي مئة ضعف ذلك في السيلكون. وأيضا يكون السمك المطلوب لتدعيم جهد معين في كربيد السيلكون صغيرا جداً مقارنة بالسيلكون. وبالتالي تكون المقاومة الموالية صغيرة جداً في ثنائيات كربيد السيلكون. ولهذا فإن كربيد السيلكون يكون أكثر ملائمة في نبائط الجهد العالي والحرارة العالية.

English

A Wide Band Gap (WBG) semiconductor is defined as a semiconductor having energy bandgap equal to or more than about 2 electron volts (eV) such as SiC, GaN, and C. The electrical properties of these wide bandgap semiconductors make them excellent candidates for high temperature and high power devices due to their high critical electric field and high thermal conductivity. Silicon Carbide(SiC) is the most developed wide bandgap semiconductor in crystal growth. In this study, a detailed experimental and theoretical analysis has been carried out for Au-SiC contacts. These metal-semiconductor contacts have been fabricated and electrically characterized experimentally as a function of temperature. In addition, we have compared theoretically between the use of Si, 4H-SiC, and 6H-SiC for high voltage diodes. Metal-semiconductor contacts were fabricated by thermal evaporation of gold (Au) on 4H-SiC wafers. Two Au-4H-SiC MS were fabricated one is p-type and lightly doped and another is n-type and heavily doped. Capacitance-Voltage (C-V) and Current-Voltage (J-V) was measured for both MS contacts as a function of temperature. From the CV measurements the barrier height and doping concentration have been determined. Au-4H-SiC p-type was very good rectifier up to 400oC. Its ideality factor was 1.73 at room temperature and decrease to 1.27 at 400oC. The saturation current was 2×10-16 Amp/cm2 at room temperature and increase to 1×10-6 Amp/cm2 at 400oC. N-type Au-4H-SiC contact was rectifier at low temperatures. For more than 200oC, it becomes non-rectifier contact. The theoretical analysis based on extensive literature review of SiC physical properties indicates that it is possible to obtain high voltage diodes in SiC with about one hundred orders of magnitude doping concentration than Si. Moreover, the thickness of the diode in SiC is much smaller compared to Si for the same high voltage support. Therefore, the series resistance is much smaller in SiC diodes. These results show that SiC is a strong candidate for high voltage and high temperature electronics.