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随着科学技术的迅猛发展，国防军事、汽车电子、航空航天、工业电气自动化、燃料电池等领域越来越需要高温气敏传感器的发展来推进技术的革新，然而以硅为主体的器件多用于低温低频条件下，无法适用于高温条件下，因此，以碳化硅为基底的高温气敏传感器的研究成为人们关注的热点，特别是金属-绝缘层-半导体肖特基二极管(MIS SBD)结构的气敏传感器，其结构简单、易于制作、易于集成、外围电路简单等更是成为研究的重点。但是在过去的研究中，研究者多以氧化物作为SiC基高温气敏传感器的绝缘层，这样的绝缘层热导率低、与衬底的晶格失配较为严重、不能承受更高的温度环境，造成传感器可靠性低、应用范围有限。本文设计了以氮化铝作为传感器绝缘层、以4H-SiC为基底的金属-绝缘层-SiC肖特基(MISiC SBD)高温氢敏传感器，改善了绝缘层与半导体晶格失配严重的问题，提高了高温条件下传感器的灵敏度和可靠性。本文主要研究了传感器敏感机理，仿真和分析了传感器敏感特性和高温特性，优化了传感器结构，设计了传感器工艺过程并开展了部分实验研究，具体研究内容如下：
(1)讨论传感器的工作原理，探究传感器各层材料的作用，确定各层材料的选择，建立传感器结构，主要包括4H-SiC衬底、4H-SiC外延层、氮化铝绝缘层、正面和背面缓冲层、正面和背面电极。
(2)建立传感器理论模型和仿真模型。首先，分析传感器的氢敏物理模型，包括：氢气解析吸附模型、电流传输模型、势垒高度模型等。其次简化仿真模型结构，省略起粘附作用的缓冲层，正面电极简化为肖特基接触，背面电极简化为欧姆接触。最后，使用相应仿真模型，包括：半导体基本方程组、迁移率模型、禁带宽度变窄模型、俄歇复合和直接复合模型、隧穿模型等，对传感器进行仿真研究。
(3)研究和分析温度、氢气浓度和绝缘层厚度对传感器I-V输出特性的影响，确定传感器最优绝缘层厚度。结果表明，当温度小于573K时，温度升高，由于催化金属的作用，生成极化层的氢原子增多，势垒高度变小，传感器电流变大，当温度位于573K和773K之间时，温度升高，一部分氢原子与氧原子结合生成水，势垒高度变大，传感器电流变小；氢气浓度上升，势垒高度变小，传感器的电流随之增大；绝缘层厚度增大，减少了通过绝缘层的电子数目，引起传感器输出电流的减小。提取仿真数据，得到传感器电流分辨率和灵敏度与绝缘层厚度的关系。结果显示，增大绝缘层厚度，电流分辨率减小，灵敏度增大。根据传感器在高温应用下，电流分辨率应大于1mA，电流灵敏度大于40%的条件，确定了传感器的最优绝缘层厚度区间为1.45-2.32nm。最终选定绝缘层厚度为2nm，仿真分析了传感器在温度为573K条件下氢气浓度对传感器电流的影响，证明了传感器在氢气浓度小于200ppm时具有良好的电流分辨率，在氢气浓度大于200ppm时，传感器的线性度良好。
(4)设计工艺过程，研究关键工艺方法。传感器的整个制备过程包括：绝缘层沉积，正面缓冲层制备、正面电极制备、背面缓冲层制备，背面电极制备等，重点研究了脉冲激光沉积(PLD)制备氮化铝绝缘层的实验条件，制定可行的实验参数和流程，在4H-SiC衬底上制备了AlN薄膜，经测试表征，表明制备出的氮化铝薄膜晶向好、表面质量优良的氮化铝薄膜，满足本传感器工艺要求。
综上所述，本文以氮化铝作为绝缘层的MISiCSBD高温氢敏传感器作为研究对象，设计和优化了传感器结构，仿真分析了传感器的I-V特性，探究了传感器绝缘层的制备条件。通过仿真结果可以得出，传感器最优绝缘层厚度区间为1.45-2.32nm，当绝缘层厚度为2nm时，电流分辨率为1.26mA，灵敏度为54%，当氢气浓度小于200ppm时，电流分辨率良好，当氢气浓度大于200ppm时，传感器线性度较好。通过实验结果可以得出，在脉冲频率为5Hz，激光能量密度为3J/cm2，靶基距为50mm条件下，能够制备出晶面为(111)方向，晶粒尺寸为26.6nm，表面粗糙度为1.163nm的氮化铝薄膜。
(1)讨论传感器的工作原理，探究传感器各层材料的作用，确定各层材料的选择，建立传感器结构，主要包括4H-SiC衬底、4H-SiC外延层、氮化铝绝缘层、正面和背面缓冲层、正面和背面电极。
(2)建立传感器理论模型和仿真模型。首先，分析传感器的氢敏物理模型，包括：氢气解析吸附模型、电流传输模型、势垒高度模型等。其次简化仿真模型结构，省略起粘附作用的缓冲层，正面电极简化为肖特基接触，背面电极简化为欧姆接触。最后，使用相应仿真模型，包括：半导体基本方程组、迁移率模型、禁带宽度变窄模型、俄歇复合和直接复合模型、隧穿模型等，对传感器进行仿真研究。
(3)研究和分析温度、氢气浓度和绝缘层厚度对传感器I-V输出特性的影响，确定传感器最优绝缘层厚度。结果表明，当温度小于573K时，温度升高，由于催化金属的作用，生成极化层的氢原子增多，势垒高度变小，传感器电流变大，当温度位于573K和773K之间时，温度升高，一部分氢原子与氧原子结合生成水，势垒高度变大，传感器电流变小；氢气浓度上升，势垒高度变小，传感器的电流随之增大；绝缘层厚度增大，减少了通过绝缘层的电子数目，引起传感器输出电流的减小。提取仿真数据，得到传感器电流分辨率和灵敏度与绝缘层厚度的关系。结果显示，增大绝缘层厚度，电流分辨率减小，灵敏度增大。根据传感器在高温应用下，电流分辨率应大于1mA，电流灵敏度大于40%的条件，确定了传感器的最优绝缘层厚度区间为1.45-2.32nm。最终选定绝缘层厚度为2nm，仿真分析了传感器在温度为573K条件下氢气浓度对传感器电流的影响，证明了传感器在氢气浓度小于200ppm时具有良好的电流分辨率，在氢气浓度大于200ppm时，传感器的线性度良好。
(4)设计工艺过程，研究关键工艺方法。传感器的整个制备过程包括：绝缘层沉积，正面缓冲层制备、正面电极制备、背面缓冲层制备，背面电极制备等，重点研究了脉冲激光沉积(PLD)制备氮化铝绝缘层的实验条件，制定可行的实验参数和流程，在4H-SiC衬底上制备了AlN薄膜，经测试表征，表明制备出的氮化铝薄膜晶向好、表面质量优良的氮化铝薄膜，满足本传感器工艺要求。
综上所述，本文以氮化铝作为绝缘层的MISiCSBD高温氢敏传感器作为研究对象，设计和优化了传感器结构，仿真分析了传感器的I-V特性，探究了传感器绝缘层的制备条件。通过仿真结果可以得出，传感器最优绝缘层厚度区间为1.45-2.32nm，当绝缘层厚度为2nm时，电流分辨率为1.26mA，灵敏度为54%，当氢气浓度小于200ppm时，电流分辨率良好，当氢气浓度大于200ppm时，传感器线性度较好。通过实验结果可以得出，在脉冲频率为5Hz，激光能量密度为3J/cm2，靶基距为50mm条件下，能够制备出晶面为(111)方向，晶粒尺寸为26.6nm，表面粗糙度为1.163nm的氮化铝薄膜。