CN102856358B - 电气开关器件 - Google Patents
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Abstract
公开了一种电气开关器件，该器件包括：衬底，所述衬底包括至少一个金刚石层；与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。
Description
本申请是申请号为200780021758.1、发明名称为“电气开关器件及将催化材料嵌入金刚石衬底中的方法”的中国专利申请的分案申请，该申请号为200780021758.1的专利申请的国际申请日为2007年5月16日，国际申请号为PCT/GB2007/001808，并要求2006年6月13日提交于英国专利局的专利申请No.0611594.3的优先权。
技术领域
本发明涉及电气开关和放大器件，并且具体地但并非排他性地，涉及在高功率应用中使用的电气开关器件。本发明还涉及一种将催化材料嵌入金刚石衬底中的方法。
背景技术
如本领域技术人员已知的，硅在用作高功率和极端环境中的开关和放大应用的基本电子材料时是有局限的。例如，已知的是，硅在可接受水平的接通状态损耗以及可用的开关速度的基础上具有大约8kV的反向击穿电压。这意味着，为了在若干最终用途应用中获得有意义的电压和/或电流电平，需要串联或并联组合的多个离散器件，这又要求其它电子元件保证器件之间的工作保持平衡，因而在实现上可能是复杂的。
由于金刚石的通常明显优于任何其它电子材料的热属性、介电属性和载流子移动属性，金刚石提供了对这个问题的潜在解决方案。因此，用金刚石制成的器件通过减少实施应用所需的离散器件的数量而提供了显著降低复杂性的潜力。
在大多数半导体器件中，电子功能是通过将外部元素(或被称为掺杂物)选择性地引入晶体结构中来改变基材的电属性而实现的。在金刚石的情况下，掺杂物的选择受限于相对小的晶格尺寸。结果是，对金刚石晶体结构干扰最少的两种掺杂物是硼(p型)和氮(n型)。虽然掺杂了硼的金刚石是相当有效的p型半导体，但尚未发现有效的n型掺杂物。问题在于，这两种掺杂物是分别具有0.7eV和4.5eV的活化能量的深施主，从而导致需要加热来协助释放电荷载流子，以实现有效的器件操作。
然而，加热工艺还导致载流子移动值和电场击穿强度的降低，从而使得金刚石的对于制造高功率开关来说理想的关键属性中的两个属性打了折扣。这样，以此方式制造的器件没有充分利用作为电子材料的金刚石的固有的物理属性。
现有器件总是在它们能够在关断状态下阻塞的电压与它们能够在接通状态下通过的电流之间进行权衡。进一步地，为了在非金刚石材料中获得最高的电压和功率额定，通常需要用于器件的双极结构。由于为了增加器件的开关电压而物理地增大了结的尺寸，因此，需要中和、以关断器件的电荷量也会增加，这又使器件的开关频率打了折扣。
发明内容
本发明的优选实施例试图通过使用单极结构来克服现有技术中的上述缺点，所述单极结构使得金刚石的全部材料潜力能够为功率器件充分利用。本发明利用与金刚石有关的多种已知现象。即：发射电子能够穿过本征金刚石行进几百微米，而损耗非常少；经掺杂的金刚石可以用于控制来自单种等离子体的空间电荷堆积；以及电子可以从金刚石衬底内所嵌入的敏锐的传导性侵入物中直接发射到金刚石中。因此，本发明试图利用金刚石内所嵌入的工程化的电子发射极结构，而该结构将仅在存在合适的直流偏置的情况下导通，并且本发明试图使用金刚石的电子传输属性，以便能够通过所述材料而导通。
根据本发明的一个方面，提供了一种电气器件，该电气器件包括：
衬底，该衬底包括至少一个金刚石层；
与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及
至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。
这提供了以下优点：通过导电突起的合适的构造，在所述金刚石材料内可以出现场增强的电子发射。这又使得所述器件能够在比常规的包含金刚石的电气器件低的温度下操作，并且具有令人满意的接通状态的导通性以及关断状态的电流阻塞属性。
所述衬底可以在与至少一个所述突起的至少末端相邻处包含：含有第一杂质的金刚石材料，该第一杂质适于改变与所述末端相邻的所述金刚石材料的电特性。
这提供了以下优点：降低了导电突起与金刚石层之间的势垒，这又降低了激活所述器件所需的电势。
所述第一杂质可用于为所述材料提供n型电特性。
这提供了以下优点：引入自由电子，所述自由电子增强了所述器件在其接通状态下的导通性。
所述衬底可以在与至少一个所述第二电极相邻处包含：含有第二杂质的金刚石材料，该第二杂质适于改变与所述第二电极相邻的所述金刚石材料的电特性。
这提供了以下优点：使得能够减少衬底材料内的空间电荷堆积的发生，这又会限制所述器件的接通状态电流的幅度。
所述第二杂质可用于为所述金刚石材料提供p型电特性。
所述器件可进一步包括至少一个第三电极，所述至少一个第三电极被布置在所述衬底中，并且与所述第一电极或每个所述第一电极以及所述第二电极或每个所述第二电极间隔开。
这提供了以下优点：使得能够通过向第三电极施加合适的电压而控制所述突起附近的电场，并且因此控制接通状态下的电流。
至少一个所述第三电极可以限定与至少一个所述突起相邻的至少一个相应的孔洞。
这提供了以下优点：使得能够进一步控制突起附近的电场。
至少一个所述第三电极可以被布置在本征金刚石材料的层中。
这提供了以下优点：减少了从第三电极到第一电极或第二电极的泄漏电流，这又改善了所述器件的性能。
至少一个所述第三电极可以包含非金刚石型碳，所述非金刚石型碳是通过使用注入技术对金刚石材料的选择区域进行转变而形成的。
这提供了以下优点：通过使对埋置的金属层的需求最小而简化了器件制造。
至少一个所述第三电极可以包含：含有适于增加材料的导电性的杂质的金刚石材料。
这提供了以下优点：通过利用半导体金刚石的高移动性属性而避免了将金刚石石墨化的需求，并且可以同质外延地生长，而不是注入。
所述器件可以进一步包括：多个分离的所述第二电极。
这提供了以下优点：使得能够构造这样的器件，其中多个第二电极之间的电流可受控于合适偏置的电压信号向所述第三电极的施加，其结果是，可以实现放大。
根据本发明的另一方面，提供了一种改变包括至少一层金刚石材料的衬底的方法，所述方法包括：
在所述衬底的金刚石材料的至少预定区域上沉积至少一种催化材料；
使得与所述催化材料的至少一部分接触的所述金刚石材料的至少一部分转化为非金刚石型碳；以及
使得所述催化材料的至少一部分渗入所述衬底。
这提供了以下优点：使得能够在所述衬底中形成小直径的长孔。这又使得能够制造具有导电突起的电气器件，所述导电突起具有高的宽高比，这又使得能够制造高性能的器件。
所述方法进一步包括：使得所述金刚石材料的所述预定区域上的所述催化材料形成分离的催化材料的区域。
这提供了以下优点：使得能够以高度局部化的方式在衬底上对催化材料进行图案化。
使至少一种所述催化材料形成多个分离的区域的步骤可以包括：在存在至少一个等离子体放电的情况下对所述材料进行加热，所述等离子体放电包含至少一种还原组分。
可以通过加热使与所述催化材料的至少一部分接触的所述金刚石材料的至少一部分转化为非金刚石型碳。
所述方法可进一步包括：在所述衬底上沉积所述催化材料之前，改变所述衬底的表面的至少一部分，以减少所述催化材料与所述衬底的反应性。
这提供了以下优点：使得能够控制催化材料与金刚石衬底的反应，这又改善了制造工艺。
所述方法可进一步包括：在所述衬底的表面上形成对金刚石材料的非金刚石型碳损坏的至少一个区域。
这提供了以下优点：有助于催化材料与衬底的反应的局部化，这又改善了制造工艺的精度。
可以通过光刻工艺对至少一种所述催化材料进行图案化。
可以通过以下工艺使所述催化材料的至少一部分渗入所述衬底：将所述衬底加热到足够的温度，以开始金刚石向非金刚石的催化分解，以及施加合适的、均匀偏置的磁场和/或电场。
这提供了以下优点：保证催化作用，以及通过催化材料与外部电场和或磁场的相互作用，赋予催化材料定向运动。
可以通过至少一个等离子体放电而使所述催化材料的至少一部分渗入所述衬底。
这提供了以下优点：给予催化材料电荷，以保证与外部电场和或磁场的相互作用通过向等离子体放电施加合适的直流偏置而引导催化材料渗入衬底中。
所述方法可进一步包括：通过使用已知优先与非金刚石型碳反应的且可选地可被用作基本等离子体以给予催化材料电荷的气体种类的、至少一个等离子体放电来去除非金刚石型碳。
这具有以下优点：减少了制造步骤的数量。
所述方法可进一步包括：使用交流电流源(例如射频电源或微波频率电源等)对至少一个所述等离子体放电进行调整。
这提供了以下优点：减少了对金刚石材料的离子冲击损坏，但将增强对非金刚石型碳的反应去除。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造电气器件的方法，所述方法包括：
通过如上定义的方法在衬底中形成至少一个孔；
形成与所述衬底接触的至少一个第一电极；以及
形成至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。
附图说明
现在将参考附图、仅以示例的方式而并非任何限制性的含义来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1A至图1I示出了实施本发明的制造方法的步骤；
图2是本发明的第一实施例的电气开关器件的示意性截面图；
图3A是与图2对应的本发明的第二实施例的器件的示意图；
图3B是图3A的器件的控制电极的俯视图；
图4是与图2对应的本发明的第三实施例的器件的示意图；
图5是与图2对应的本发明的第四实施例的器件的示意图；以及
图6是与图2对应的合并了第三实施例和第四实施例的特征的本发明的第五实施例的器件的示意图。
具体实施方式
参照图1A，金刚石衬底2被抛光为具有高度的平坦性，并且可以使用本领域技术人员所熟知的技术对其进行处理以在衬底2上形成氧化、氢化、卤化或羟基的支撑表面。该工艺可以包括高频辉光放电(未示出)。然后，通过蒸镀或溅射工艺在衬底2的处理过的表面上将催化金属8(例如铁、钴、镍或铂等)作为均匀层沉积至厚度为2nm至50nm，然后在催化金属8上沉积合适材料的掩膜3。参照图1B，可以使用光刻工艺来有选择地去除掩膜3，以留下期望的图案31，并且暴露剩余区域的催化金属8。
然后，通过化学蚀刻工艺来去除未被掩膜3覆盖的催化金属8，以提供图1C所示的分离的催化金属的区域81。
或者，可以使图1A至图1C所示的步骤相反，使得在沉积催化金属8之前，将掩膜3直接沉积在衬底2上，并且通过光刻方式来处理掩模，以获得期望的图案31，从而获得分离的区域81。
然后如图1D所示去除剩余的掩膜31，并且在真空环境中或者在存在经交流调整的等离子体放电12的情况下在500℃或更高的温度下对经过涂覆的衬底2进行退火，这导致分离的催化金属的区域81形成如图1F所示的高度局部化的小球或球状体82，所述经交流调整的等离子体放电12包含如图1E所示的电极4和5之间放电的、处于1-10mbar的压力下的富氢气体(例如氨)。
参照图1G，在完成退火工艺时，将衬底2加热到600℃或更高的温度，并且同时通过施加到电极41的DC电源7(使得电极41相对于位于衬底2的对面的电极51是正偏置的)来施加具有400V或更高的偏置电压的均匀电场。在这些条件下，催化颗粒82使得衬底2中与颗粒82接触的金刚石转化为非金刚石型碳(例如石墨或无定形碳)。
通过在1-10mbar的压力下引入富氢气体(例如氨)的气氛，等离子体放电13将发生在电极41与衬底2之间。由于催化颗粒82的较小的尺寸，等离子体放电13使催化颗粒俘获电荷，并且DC电源7的偏置电压使得催化颗粒82在朝向电极51的场的方向上移动，即，进一步移到衬底2中，从而留下非金刚石型碳的踪迹。通过保证电极41与51之间的等离子体放电上的电压降超过400V，非金刚石型碳的踪迹(未示出)将是柱形的，并且根据场方向而取向。通过将本领域技术人员已知的附加气体引入放电13中来进一步增强该作用的功效，所述附加气体将优先与非金刚石型碳反应，并且因此对由于催化颗粒82的作用而生成的非金刚石型碳进行蚀刻，以产生小直径的孔20。还可以引入射频电源22来调整放电13，这进一步增强对催化颗粒82上的石墨进行蚀刻的工艺，以通过放电13来去除石墨。当产生了期望深度的孔20时，允许衬底2冷却，结果是，颗粒82的催化作用停止，并且形成图1H所示的改变的衬底24。
然后，通过适合的酸对改变的衬底24进行清洁，以从孔20的底部去除催化颗粒82，然后可选地通过化合物(例如熔化的硝酸钠)进一步处理改变的衬底24，以去除任何剩余的无定形碳或石墨化的碳。然后，可以如图1I所示在衬底24的未蚀刻的表面上生长另一金刚石层14，以获得期望的电属性和/或机械属性。
现参照图2，使用如图1I所示的本征或掺杂了氮的金刚石衬底24形成二极管类型的电气开关器件30。用适合的导电金属来填充衬底24中的孔20，以形成与主阴极34接触的金属微发射极结构32。或者，可以在孔20中按步骤来沉积多于一种金属，以使金属/金刚石界面在本质上有电阻性，或者减少金属与金刚石之间的工作作用，尤其减少孔20附近的金属与金刚石之间的工作作用。在沉积这些金属之前，可以在氧和或氢高频放电(未示出)中对孔20和衬底24进行预处理，以有助于进一步降低金属32与衬底24之间的势垒。在金刚石衬底24的相对的平面表面上放置另一平面电极36，并且平面电极36通过本征或低硼掺杂的同质外延金刚石的层14或掺杂其它这种掺杂物使得在层14内引入电子受主站点的层14而与发射极32的端部绝缘。当在电极34、36之间施加电压使得上电极36的电势大于下电极34的电势并且使得电压具有足够的幅度从而使发射极32的端部处的局部场足以使得将电子发射到金刚石层24中并随后发送到层14中时，可以产生电极34、36之间的导电性。另一方面，如果电源38的偏置被反向从而使得下电极34的电势大于上电极36的电势，则由于平面电子发射电极36的表面的曲率显著小于发射极32的末端处的曲率，电子的发射会因此显著地减少。
图3A示出本发明的第二实施例的器件130，其中，用相似但增加100的参考标记来表示与图2的实施例共同的部分。图2所示的二极管器件30的前向偏置特性和反向偏置特性主要由绝缘层14的厚度来确定。由于维持电子发射所需的场的大小会导致在图2的器件上出现大的电压降，因此，这将限制器件作为整流器的性能。然而，图3A所示的实施例通过借助于栅电极140与发射极132之间建立的电场来控制电子向衬底124中的注入，缓解了这个问题。通过以下步骤来制造栅电极140：在图1I所示的阶段，首先在基衬底124上生长本征金刚石的附加中间层126，对基衬底124施加掩膜化注入工艺，使得使用高能离子束来处理表面下的金刚石层，以在生长附加的金刚石层114之前在金刚石中形成导电层。如图3B所示图案化该导电层，其中具有孔洞127，孔洞127绕每个发射极132的端部为中心，以产生围绕每个发射极132的端部的大体均匀的环形场，所述发射极的校准由图中的十字来表示。上电极136与下电极134之间的电流通常将与施加在栅电极140与发射极132之间的电压成比例。
图4示出本发明的第三实施例的器件230，其中，用相似但增加100的参考标记来表示与图3A和图3B的实施例共同的部分。在图1I所示的阶段，在如第三实施例所述的经过处理的金刚石层226的顶部上生长或者注入重掺杂氮的另一金刚石的层246或其它n型掺杂的金刚石的层246。然后，在n型层246的顶部上生长本征金刚石或p型金刚石的最终层214。n型层246的目的在于扩散来自发射极232的端部所形成的点源的电子发射，使得更好地利用可用的块金刚石。n型层246还有助于在器件被反向偏置时屏蔽发射极端部232和栅极240。
图5A示出本发明的第四实施例的器件330，其中，用相似但增加100的参考标记来表示与图4的实施例共同的部分。图4的上电极236被两个分离的金属性的电极350、352所取代，并且在衬底324上可选地生长或者沉积另一绝缘层354，以部分地或者完全地覆盖电极350、352以及所述电极之间的空间。如果仅在电极350与352之间施加电压，则没有电流产生。然而，如果向栅电极340和发射极332施加分离的偏置使得电子被发射到附加的金刚石层314中，则由于由从发射极332发射的电子所生成的载流子的可用性，电极350、352之间的导通性变得可能。由注入到金刚石层314的电子的数量来确定在电极之间的电流的幅度，所述电子的数量又通常与施加在栅电极340与下电极334之间的偏置成比例。
图6示出本发明的另一实施例，该实施例合并了本发明的第三实施例和第四实施例的特征，其中，用相似但增加100的参考标记来表示图4和图5的实施例的共同部分。与图4的布置相似，器件430包括n型层346和p型层414。n型层346的存在有助于保持以大体均匀的密度向金刚石层414中进行电子注入，并且阻止到发射极电极432和栅电极440的泄漏电流。
本领域技术人员应理解，以上实施例是仅通过示例的方式描述的，而不是在限制性的意义上描述的，并且在不脱离所附权利要求所定义的本发明的范围的情况下，各种改动和修改是可能的。例如，本发明的衬底24可以用于除了作为用于开关电气器件的基础之外的目的，例如作为精细网式过滤器或光波导。
Claims (16)
1.一种电气器件，包括：
衬底，所述衬底包括至少一个金刚石层；
与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及
至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开，
其中至少一个所述突起适于通过所述衬底将电子发射至至少一个所述第二电极。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述衬底在与至少一个所述突起的至少末端相邻处包含：含有第一杂质的金刚石材料，该第一杂质适于改变与所述末端相邻的所述金刚石材料的电特性。
3.如权利要求2所述的器件，其中，所述第一杂质适于：为所述材料提供n型电特性。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的器件，其中，所述衬底在与至少一个所述第二电极相邻处包含：含有第二杂质的金刚石材料，该第二杂质适于改变与所述第二电极相邻的所述金刚石材料的电特性。
5.如权利要求4所述的器件，其中，所述第二杂质适于：为所述金刚石材料提供p型电特性。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的器件，进一步包括：至少一个第三电极，所述至少一个第三电极被布置在所述衬底中，并且与所述第一电极以及所述第二电极间隔开。
7.如权利要求6所述的器件，其中，至少一个所述第三电极限定与至少一个所述突起相邻的至少一个相应的孔洞。
8.如权利要求6所述的器件，其中，至少一个所述第三电极被布置在本征金刚石材料的层中。
9.如权利要求6所述的器件，其中，至少一个所述第三电极包含非金刚石型碳。
10.如权利要求6所述的器件，其中，至少一个所述第三电极包含：含有适于增加材料的导电性的杂质的金刚石材料。
11.如权利要求1至3中的任一项所述的器件，进一步包括：至少一个第三电极，所述至少一个第三电极被布置在所述衬底中，并且与每个所述第一电极以及每个所述第二电极间隔开。
12.如权利要求11所述的器件，其中，至少一个所述第三电极限定与至少一个所述突起相邻的至少一个相应的孔洞。
13.如权利要求11所述的器件，其中，至少一个所述第三电极被布置在本征金刚石材料的层中。
14.如权利要求11所述的器件，其中，至少一个所述第三电极包含非金刚石型碳。
15.如权利要求11所述的器件，其中，至少一个所述第三电极包含：含有适于增加材料的导电性的杂质的金刚石材料。
16.如权利要求1至3中的任一项所述的器件，进一步包括：多个分离的所述第二电极。
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