CN110431670A - 金刚石半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电气器件(2)。所述器件包括金刚石材料的基板(4)和延伸到基板中相应凹部(6)中的细长金属突起(18)。设置在相应突起和所述基板之间的掺杂半导体层(14)在所述突起和所述基板之间施加电场时表现为n型半导体材料，适于在所述半导体层内产生正空间电荷区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气器件，尤其涉及一种适于通过固态场发射产生自由电子的电气器件。
背景技术
在高功率，高频率及极端环境中，使用硅作为开关及放大应用的基础电子材料具有局限性。已知的是，在这种环境中，金刚石是比硅更合适的材料，这是金刚石的热特性、介电特性及载流子迁移特性决定的。由金刚石制成的器件，通过减少执行应用所需的分离器件的数量，使得复杂度的显著降低成为可能。
然而，使用金刚石制造半导体器件是比较困难的。在大多数半导体器件中，通过将称为掺杂剂的材料选择性地引入晶体结构中来改变基材的电子性质，从而实现电子功能。在金刚石的情况下，由于金刚石晶格的尺寸相对较小，可用的掺杂剂选择有限。因此，对金刚石晶体结构产生最小干扰的两种掺杂剂是硼(p型)和氮(n型)。掺硼金刚石是一种相当有效的p型半导体，但尚未发现有效的n型掺杂剂。因为这两种类型的掺杂剂都是深施主，活化能分别为0.7eV和4.5eV，导致需要通过加热来辅助释放电荷载流子以实现有效的器件操作。然而，加热过程也会导致载流子迁移率和电场击穿强度的降低，从而损害了使得金刚石适合于制造高功率开关的两个主要特征。
还已知基于从尖端或突起进入真空中的电子场发射来生产替代电子器件。当施加的电场相对较强时，电子可以通过量子力学隧道效应穿过较低的势能垒而从材料中逸出。斯宾特尖端(Spindt tips)是这种真空场发射器件的一个例子。然而，这类器件存在许多基本问题。首先，没有完全的真空，少量的电子会因此与残留的气体原子碰撞，导致气体原子电离。然后，这些离子向最高场强的区域漂移，并在此过程中加速，使得它们在发射点撞击阴极并产生有限和累积的损伤，因此冷阴极器件的寿命显著短于半导体器件的寿命。这些器件的另一个缺点是，它们的温度在工作期间显著升高，因此器件的电阻增加，从而减少了发射的电流，并引入了进一步降低寿命的次级退化机制。
为了延长场发射尖端的寿命，已经探索使用硬涂层，例如氧化物层。金刚石可以用作替代硬涂层。然而，这种涂层与基底导电金属相配时热膨胀系数差。解决所述问题的另一种方法是将场增强结构完全嵌入介电材料中，所述材料仍然可以维持自由电子的高电子迁移率。例如，用嵌入了电子发射极的金刚石层代替真空，这是在《金刚石发射极制造及理论》("Diamond emitters fabrication and theory"，作者M.W.Geis等，该篇发表于1996年5月/6月期的J.Vac.科技(J.Vac.Sci.Technol.)，B14(3))中所公开的。Geis等描述的设置使用替代氮作为金刚石层中的n型掺杂剂，增强了电子发射极尖端附近的电场。然而，这种设置的缺点在于，金刚石基板中的n型掺杂剂抑制了电子穿过金刚石基板的传导。在此，所述金刚石基板进一步远离电子发射极尖端处的金属—金刚石界面。
EP 2605282中公开了另一种已知的器件，所述器件使用单极结构，所述单极结构使得能够利用金刚石的材料特性，这实际上是用金刚石代替了上述真空。然而，这种设置的缺点在于其性能受到低n型掺杂剂密度的限制，低n型掺杂剂密度可以用金刚石中的氮和相关的高活化能实现。
US2014/0145210公开了一种半导体器件，包括多个半导体金刚石层和沟槽结构。
EP 2605282 A2公开了一种电气开关器件，包括金刚石基板和延伸到基板中的导电发射极。
发明内容
本发明的优选实施例旨在克服现有技术的一个或多个上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种电气器件，包括:
金刚石材料基板；
至少一个细长的第一导电部分，延伸到所述基板中的相应凹部中；和
至少一个掺杂半导体区域，设置在至少一个相应的所述第一导电部分和所述基板之间，并且配置为在施加电场时，在所述第一导电部分和所述基板之间表现为n型半导体材料，适于在所述半导体区域内产生正空间电荷区域。
掺杂半导体区域设置在至少一个相应的第一导电部分和所述基板之间，并且适于在所述导电部分和基板之间施加电场时表现为n型半导体材料，适于在半导体区域内产生正空间电荷区域。通过提供所述至少一个掺杂半导体区域，提供了通过在所述导电部分周围产生高度限定的正空间电荷区域，来增强与导电部分的界面处的局部电场的优点(所述导电部分大幅提高了电子从所述导电介质转移到所述金刚石基板的效能)，从而实现更大的电流传导。本发明的另一个优点是，通过使所述半导体区域足够薄，由引入掺杂剂导致的晶格应力相对较小，并且得以更广泛地选择掺杂剂材料。此外，通过在所述金刚石基板和所述导电部分之间提供单独的半导体区域，提供了金刚石基板可以保持未掺杂的优点，由此可以最小化掺杂金刚石对电子传导的抑制作用。
至少一个所述半导体区域可以包括金刚石。
至少一个所述半导体区域可以包括至少一种施主掺杂剂，使得所述区域具有n型半导体特性。
至少一个所述半导体区域可以包括多种掺杂剂材料，使得所述区域具有n型半导体特性。
这提供了提供更广泛的能级选择的优势。
至少一种所述掺杂剂可以是I族元素。
至少一种所述掺杂剂可以是V族元素。
至少一种所述掺杂剂可以是VI族元素。
至少一个所述第一导电部分可以适于局部增强所述电场。
至少一个所述第一导电部分可以包括至少一种与半导体区域形成肖特基结的金属。
所述器件还包括连接到至少一个所述第一导电部分的至少一个第二导电部分。
这提供了能够对要选择的材料进行适当的导电跟踪的优点。
所述器件还包括至少一种第一终止材料，其终止至少一个所述半导体区域的至少一部分的表面，使得其具有正电子亲和性。
至少一种所述第一终止材料可以包含氧。
至少一种所述第一终止材料可包含氟。
根据本发明的另一方面，提供一种形成电气器件的方法，所述方法包括：
在金刚石材料的基板中形成至少一个凹部；
在至少一个所述凹部中形成至少一个掺杂半导体区域；和
在至少一个所述凹部中形成至少一个细长的第一导电部分，其中至少一个所述半导体区域设置在至少一个所述第一导电部分和所述基板之间，并且适于在施加电场时在所述第一导电部分和所述基板之间表现为n型半导体材料，适于在所述半导体区域内产生正空间电荷区域。
至少一个所述半导体区域可以包括金刚石。
至少一个所述半导体区域可以包括至少一种施主掺杂剂，使得所述区域具有n型半导体特性。
至少一个所述半导体区域可以包括多种掺杂剂材料，以赋予所述区域n型半导体特性。
至少一种所述掺杂剂可以是I族元素。
至少一种所述掺杂剂可以是V族元素。
至少一种所述掺杂剂可以是VI族元素。
至少一个所述第一导电部分可以适于局部增强所述电场。
所述方法还包括将至少一个第二导电部分施加到至少一个所述第一导电部分。
所述方法还包括终止至少一个所述半导体区域的至少一部分表面，以赋予其正电子亲和力。
在金刚石材料基板中形成至少一个凹部的步骤，可以包括在所述基板的表面上设置至少一种催化材料，使所述催化材料将与其接触的金刚石转化为非金刚石碳材料，并使所述催化材料渗透所述基板。
附图说明
现将参照附图，仅以示例的方式而非任何限制性的方式，描述本发明的优选实施例，其中:
图1是体现本发明的电气设备的截面示意图；
图2是图1器件的嵌入场发射极层结构的放大视图；
图3示出了图2的层结构的操作；
图4示出了导电部分的形状对电场增强因子的影响；
图5示出了掺杂剂浓度对图1的器件的半导体层中平均电场的影响；
图6示出了掺杂剂浓度对图2的层结构中隧穿电流密度的影响；和
图7示出了掺杂剂浓度对图2的层结构的金刚石基板中的德拜长度(Debyelength)的影响。
具体实施方式
参照图1，二极管型电开关器件2具有金刚石基板4，在金刚石基板4的表面通过蚀刻工艺形成凹部6，所述蚀刻工艺产生具有低曲率半径的点，例如EP 2605282中所定义的。凹部6优选为细长形状，并且优选具有大体垂直于基板4的上表面10的侧壁8以及减小了曲率半径外形的倾斜末端表面12。凹部6的这种形状显著地有助于完成的器件2中的电场增强，这将在下文中进一步详细描述。
以金刚石材料的半导体层14的形式存在的n型半导体区形成于金刚石基板4上，具体形成在凹部6的末端表面12上，所述n型半导体区掺杂有合适的添加剂，例如氮或磷之类的V族元素或者硫。所述半导体层14可以做得足够薄，使得对半导体层14添加掺杂剂不会在金刚石半导体层14中引起显著的晶格应力。调整所述半导体层14的背离基板4的表面16，使得所述半导体层14具有正电子亲和力。这可以通过金刚石半导体层14的表面16的氧终止来实现，处理表面16的方式例如包括在非常重度氧化的溶液如浓硫酸和过氧化氢的混合物中、在100℃以上、用至少30分钟；在包含惰性气体和氧的等离子体室中；或者将金刚石层14在低压氧环境中加热到400℃达30分钟，或者上述步骤的任意组合。或者，所述表面可以使用氟终止。
凹部6填充有细长金属突起18形式的第一导电材料。突起18由与金刚石接触时呈现肖特基效应(Schottky Effect)的金属例如金、铂、钌或银形成，但是所述金属通常包括在退火时不与金刚石自然形成碳化物的任何金属。金刚石半导体层14的表面终端16导致导电金属突起18和半导体金刚石层14之间的势垒高度降低，从而提高电子能够隧穿到块状金刚石基板4的导带中的效率。将另一金属层20形式的第二导电材料施加到导电金属突起18上，以提供额外的电流承载能力，并使得器件封装中触点的更容易接合。将合适金属的电极22施加到与金属突起18相对的基板4的表面。
现在将描述图1和2中所示的器件2的操作。
当在由导电突起18和金属层20形成的阴极和由金刚石基板4的相对表面上的金属层22形成的阳极之间施加电压时，金属突起18中的电场在突起18的末端最强。如图3所示，n型金刚石半导体层14从层14中的掺杂剂材料中失去多余的电子，从而耗尽并在金属突起18的末端周围产生正空间电荷区域。这显著增强了局部电场，从而满足福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)量子力学隧道效应的条件。通过使用n型金刚石，半导体层14与金刚石基板4完全热兼容和电兼容，然而本领域技术人员将会理解，可以使用除金刚石之外的材料产生耗尽效应。电子从金属突起18的末端发射，并且由半导体层14产生的增强电场提供足够的电势，以加速电子通过带正电荷的半导体层14进入金刚石基板4。
半导体层可以制成具有足够小的厚度(通常在20纳米的范围内)，使得层14不会产生晶格应力，从而能够使用氮和磷等元素作为掺杂剂。如图3所示，当将电场沿所示方向施加到图2的结构时，半导体层14失去过量电子进入到块状金刚石基板4中，并且所述过程通过金属突起18的细长结构产生的高电场而增强。因为电子靠近金刚石的导带，这个过程需要的电压比使电子从金属突起18直接移动到金刚石基板4中所需的电压更低。因此，半导体层14的电子耗尽，并且变为具有高度正空间电荷，这导致跨越半导体层14的电场超过从金属突起18和半导体层14的结合处激发福勒-诺德海姆隧穿所需的大约107Vmm-1的场条件。在这种情况下，使金属突起18注入电子以中和正空间电荷，但是因为半导体层14非常薄，电子直接穿过半导体层14进入金刚石基板4，而没有显著中和空间电荷。通过适当选择半导体层14的厚度，可以确保局部电场足够集中，以满足隧穿发射的107Vmm-1标准，但是所述电场也快速减小，使得发射的电子未被加速到电子随后与块状金刚石4晶格中的碳原子非弹性碰撞的程度，而这种程度可能导致原子电离，进而可能导致雪崩过程，且雪崩过程可能破坏器件2。
图4示出了导电金属突起18的形状对电场增强的影响。相对于预期的均匀场的场强化水平(称为β因子)与其基体平面上方的突出高度和其直径的比率有关，当然几何形状也具有影响。从图4(e)中可以看出，图1中所示的突起18的形状对电场的影响显著增强。
图5示出了半导体层14中掺杂剂浓度对电场增强的影响。掺杂剂浓度水平对金属突起18周围的电场的放大和对每个突起18发出的电流都有影响。半导体层14中的掺杂剂水平也对从每个突起18的尖端发射电子的电流密度有影响。这在图6中已示出。
半导体层14的厚度也对器件2的有效性产生影响。在突起18的尖端处的发射点形成的耗尽层内产生的高电场，超过基础金刚石材料的绝缘强度。为了防止发射的电子获得如此多的能量以至于它们可以引发雪崩效应或材料的介电失效，需要限制层厚度，使得在传输过程中传递给电子的能量不足以将它们加速到会导致这种影响的速度。如图5所示，这用德拜长度表示，德拜长度本身由半导体层14中的掺杂剂浓度决定。在此情况下，掺杂剂浓度水平应超过1018个原子/cm3，优选超过1020个原子/cm3，以最大化场增强。这表明半导体层14的在1-10德拜长度的区域中的厚度。
本领域技术人员将会理解，上述实施例仅以示例的方式描述，且不具有没有任何限制性意义，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。例如，用于本发明的金刚石基板4可以由单晶金刚石制成，但是上述本发明的原理也可以应用于纳米晶金刚石。在后一种情况下，空穴的形状更可能是细长圆柱体。
Claims (24)
1.一种电气器件，包括：
金刚石材料基板；
至少一个细长的第一导电部分，其延伸到所述基板中的相应凹部中；和
至少一个掺杂半导体区域，其设置在至少一个相应的所述第一导电部分和所述基板之间，并且配置为在施加电场时，在所述第一导电部分和所述基板之间表现为n型半导体材料，适于在所述半导体区域内产生正空间电荷区域；
其中至少一个凹部还包括至少一个限定尖端的倾斜末端表面，其中至少一个掺杂半导体区域设置在相应的倾斜末端表面上。
2.根据权利要求1所述的器件，其中至少一个所述半导体区域包括金刚石。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其中至少一个所述半导体区域包括至少一种施主掺杂剂，使得所述区域具有n型半导体特性。
4.根据权利要求3所述的器件，其中至少一个所述半导体区域包括多种掺杂剂材料，使得所述区域具有n型半导体特性。
5.根据权利要求3或4所述的器件，其中至少一种所述掺杂剂是I族元素。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的器件，其中至少一种所述掺杂剂是V族元素。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的器件，其中至少一种所述掺杂剂是VI族元素。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中至少一个所述第一导电部分用于局部增强所述电场。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的器件，其中至少一个所述第一导电部分包括至少一种与所述半导体区域形成肖特基接触的金属。
10.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括连接到至少一个所述第一导电部分的至少一个第二导电部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括至少一种第一终止材料，其用于终止至少一个所述半导体区域的至少一部分的表面，使得其具有正电子亲和性。
12.根据权利要求11所述的器件，其中至少一种所述第一终止材料包括氧。
13.根据权利要求11或12所述的器件，其中至少一种所述第一终止材料包括氟。
14.一种形成电气器件的方法，所述方法包括：
在金刚石材料的基板中形成至少一个凹部；
在至少一个所述凹部中形成至少一个掺杂半导体区域；和
在至少一个所述凹部中形成至少一个细长的第一导电部分，其中至少一个所述半导体区域设置在至少一个所述第一导电部分和所述基板之间，并且配置为在施加电场时在所述第一导电部分和所述基板之间表现为n型半导体材料，适于在所述半导体区域内产生正空间电荷区域，
其中形成至少一个凹部还包括形成至少一个限定尖端的倾斜末端表面，其中至少一个掺杂半导体区域设置在相应的倾斜末端表面上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中至少一个所述半导体区域包括金刚石。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中至少一个所述半导体区域包括至少一种施主掺杂剂，使得所述区域具有n型半导体特性。
17.根据权利要求16所述的方法，其中至少一个所述半导体区域包括多种掺杂剂材料，使得所述区域具有n型半导体特性。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中至少一种所述掺杂剂是I族元素。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中至少一种所述掺杂剂是V族元素。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中至少一种所述掺杂剂是VI族元素。
21.根据权利要求14至20中的任一项所述的方法，其中至少一个所述第一导电部分用于局部增强所述电场。
22.根据权利要求14至21中的任一项所述的方法，还包括将至少一个第二导电部分施加到至少一个所述第一导电部分。
23.根据权利要求14至22中的任一项所述的方法，还包括终止至少一个所述半导体区域的至少一部分表面，使得其具有正电子亲和力。
24.根据权利要求14至23中的任一项所述的方法，其中在金刚石材料基板中形成至少一个凹部的步骤，包括在所述基板的表面上设置至少一种催化材料，使所述催化材料将与其接触的金刚石转化为非金刚石碳材料，并使所述催化材料渗透所述基板。
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