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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. August 2006
eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/837,014,
die in ihrer Gänze hier durch Verweis mit aufgenommen wird.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Ausbildung von
Halbleiterschaltungselementen, und im Spezielleren auf Verfahren
zur Ausbildung von Schaltungselementen mit einer dotierten Diamantschicht.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung von Diamant als geeignetem elektronischem Werkstoff war
viele Jahre lang unerreichbar. Die Probleme liegen sowohl im Diamant
selbst, ob er nun synthetisch oder natürlich sein mag,
als auch in den Methoden, die zur Behandlung des Diamanten eingesetzt
wurden. Es war zum Beispiel besonders schwierig, Diamant so auszubilden, dass
seine Umgebungstemperaturleitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit
ausreichend hoch waren, um Bausteine auf Diamantbasis bei Umgebungs-
oder Raumtemperaturen arbeiten zu lassen.
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Es
wurden Methoden zur Bearbeitung und Herstellung von Leistungs-HF-FETs
(Leistungs-Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren) auf Diamantbasis
vorgeschlagen. Die höhere Wärmeleitfähigkeit
und die hohe Durchbruchspannung machen Diamant für Hochleistungselektronik
attraktiv. Unglücklicherweise steht bis jetzt kein technisch
einschlägiger Donator zur Verfügung. Deshalb basierten
alle bislang vorgestellten Bausteine auf Leitfähigkeit
der p-Art, die von einer Wasserstoffoberflächenterminierung
stammt (die eine sehr dünne leitende Schicht an der Diamantoberfläche
bewirkt, die von einem flachen Akzeptorzustand herrührt,
der chemisch immer noch nicht identifiziert ist). Deshalb wurde
der aktive Kanal von Diamant-FETs früher durch eine Wasserstoffoberflächenterminierung
hergestellt. Nichtsdestoweniger sind aufgrund der Tatsache, dass
sich der Kanal an der Oberfläche befindet und die Stabilität
des H-induzierten Akzeptorniveaus immer noch fraglich ist, die Transistoreigenschaften
nicht stabil, und es wurde über keine großen Signal-
und Leistungswirkungsgrade berichtet. Darüber hinaus haben
sich diese Methoden entweder auf monokristallinen Diamant konzentriert,
der schlechte Ladungsträgerbeweglichkeitseigenschaften
und eingeschränkte Verstärkungsprofile hat, oder
auf polykristallinen Diamant mit Korngrößen, die
für gegenwärtig angestrebte Transistorgrößen
zu groß waren, und Korngrößen mit ebenfalls
eingeschränkter Ladungsträgerbeweglichkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Als
Teilantwort auf die Nachteile des Stands der Technik stellt die
vorliegende Anmeldung Bausteine bereit, die unter Verwendung von
polykristallinem Diamant, der nanometergroßes Korn aufweist,
und mit dotierten Dünnfilmschichten, die Größen
in der Größenordnung von weniger als 100 nm aufweisen,
aufgebaut wurden. Die technischen Verfahren zur Ausbildung solcher
Strukturen lassen sich dazu verwenden, Hochfrequenz-FET-Bausteine
(HF-FET-Bausteine) mit Diamantkorngrenzen auszubilden, die beinahe
atomar abrupt sind (–0,5 nm), wodurch für mehr
Gleichmäßigkeit elektrischer Leistung wie auch
die Fähigkeit zur Ausbildung von Dünnfilmmerkmalen
gesorgt wird. Die HF- FET-Bausteine weisen außergewöhnliche
elektronische, thermische und HF-Eigenschaften auf, wobei sich,
erstere besonders für die Entwicklung neuer diskreter Leistungsbausteine
(Power Discrete devices) anwenden lassen. Die vorliegende Anmeldung
stellt insbesondere Methoden zur Herstellung eines solchen HF-FET-Bausteins
unter Verwendung von nanometer- und subnanometergroßem
polykristallinem Diamant, z. B. Diamantschichten mit einer mittleren
Korngröße von bis zu ca. 100 nm bereit.
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Entsprechend
stellen die hier beschriebenen technischen Verfahren einen elektrisch
leitenden nanokristallinen P-Kanal-Diamantgitter-Feldeffekttransistor
(FET) mit einer Dotierungskonzentration von mindestens ca. 1020 Atomen/cm3 (auch
als E 20 Atome/cm3 bezeichnet) Bor in einem
leitenden Kanal des Transistors bereit. In einigen Ausführungsformen
handelt es sich bei der Dotierungskonzentration um E 21 Atome/cm3 oder höher, E 22 Atome/cm3 oder höher, E 23 Atome/cm3 oder höher, E 24 Atome/cm3 oder höher, und E 25 Atome/cm3 oder höher. In einigen Ausführungsformen
beträgt die Korngröße des nanokristallinen
Diamanten ca. 1 nm bis ca. 15 nm. In verschiedenen Ausführungsformen
kann die sich ergebende Hochfrequenzausgangsleistung bei ca. 25°C
mindestens ca. 1 W/mm, insbesondere mindestens ca. 10 W/mm, und
in einigen Beispielen mindestens ca. 20 W/mm betragen.
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Verschiedene
technische Verfahren umfassen ein Dotieren eines nanokristallinen
Diamanten mit Bor, und zwar so, dass das Bor eine Konzentration
von mindestens ca. 1020 Atomen/cm3 in einem leitenden Kanal des Transistors
hat. Dieses Dotieren lässt sich zum Beispiel bei einer
Temperatur von bis zu ca. 77 K durchführen und beispielsweise
auch durch einen Ionenimplantationsprozess. In einigen Beispielen
kann die Ionenimplantation unter Verwendung von MeV-Energiequellen,
typischerweise bei ca. 1 MeV bis ca. 20 MeV, erfolgen. In verschiedenen
Beispielen umfasst das Verfahren darüber hinaus ein Tempern
des Diamanten, wobei dieses Tempern auf einem Diamantsubstrat erfolgen
kann, das als Dünnfilm aufgezogen wurde. In machen Beispielen
lässt sich dieser Temperprozess unter Verwendung einer
Laserbearbeitung erzielen, während sich in anderen Beispielen
das Tempern durch Hochdruck-/Hochtemperaturtempern erzielen lässt.
In Ausführungsformen, die eine Laserbearbeitung verwenden,
kann es sich bei dem Laser um einen Q-geschalteten oder gütegeschalteten
Laser oder einen YAG-Laser handeln, und die Laserbearbeitung kann
ein Pulsieren mit dem Laser für ca. 1 Nanosekunde (ns)
bis ca. 50 ns umfassen. In Ausführungsformen, die ein Hochdruck-/Hochtemperaturtempern
verwenden, kann das Tempern in einem Graphitofen und/oder mit einer
Hochdruckvorrichtung der Bauart einer kubischen Schabotte erfolgen.
In manchen spezifischen Fällen ist das Schichtsubstrat in
einem Block aus Natriumchlorid eingeschlossen. Das Verfahren kann
darüber hinaus ein Isolieren des Transistors unter Verwendung
einer chemischen Sauerstoffbehandlung umfassen, wie etwa ein Kontaktieren
des Transistors mit einer Säurelösung wie etwa
Schwefelsäure, Salpetersäure oder einem Gemisch
von diesen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren
darüber hinaus ein Ausbilden mindestens eines ohmschen Kontakts
durch Maskieren des Transistors durch Fotolithografie, wobei dieser
ohmsche Kontakt ein Metall wie Nickel, Gold, oder Gemische von diesen
aufweisen kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann
das Verfahren darüber hinaus ein Einätzen eines
vertieften Gatters oder Gates in den Transistor durch einen Ionenätz- oder
einen anderen Prozess umfassen, und ein Ausbilden des Gatters oder
Gates, und zwar so, dass es eine Pufferzone der n-Art umfasst, die
aus Aluminium oder einem anderen Dotiermittel der n-Art hergestellt
ist.
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Die
Erfindung besteht aus bestimmten neuartigen Merkmalen und einer
Kombination von Teilen, die nachstehend umfassend beschrieben, in
den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in den angehängten Ansprüchen
besonders herausgestellt sind, wobei selbstverständlich
verschiedene Änderungen an den Einzelheiten vorgenommen
werden können, ohne vom Aussagegehalt der vorliegenden
Erfindung abzuweichen oder irgendeinen der Vorteile der vorliegenden
Erfindung aufzugeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um
es leichter zu machen, die Erfindung zu verstehen, ist in den beigefügten
Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform von ihr dargestellt,
wobei anhand einer Einsichtnahme in diese unter Berücksichtigung
in Verbindung mit der folgenden Beschreibung sich die Erfindung,
ihr Aufbau und Funktionsablauf und viele ihrer Vorteile ohne Weiteres
erschließen und würdigen lassen sollten.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Drauf- bzw. Teilseitenansicht eines beispielhaften elektrischen
Bausteins (z. B. eines Transistors), der mit einer stark dotierten
p-Kanal-Diamantzone nach einem hier wiedergegebenen Beispiel ausgebildet
ist.
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3 zeigt
ein Phasendiagramm von Kohlenstoff bei verschiedenen Temperaturen
und Drücken, worin die schraffierte Fläche den
bevorzugten Bereich von Drücken zeigt, und A, B und C die
Temperaturen angeben, bei denen der Kohlenstoff bei diesen Betriebsdrücken
als Diamant, Graphit bzw. Flüssigkeit vorhanden ist.
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4 zeigt
eine grafische Darstellung der HF-Kennlinien eines Transistors mit
einer p-Kanal-Diamantzone nach einem hier wiedergegebenen Beispiel,
worin MAG die größte verfügbare Verstärkung
(maximum available gain) und MUG die größte einseitige
Verstärkung (maximum unilateral gain) ist.
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5 stellt
eine Kurve des Drain-Stroms in Gegenüberstellung zur Drain-Spannung
eines Transistors mit einer p-Kanal-Diamantzone nach einem hier
wiedergegebenen Beispiel dar.
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6 stellt
eine grafische Darstellung der HF-Verstärkung in Gegenüberstellung
zur Source-HF-Frequenz für einen Transistor mit einer p-Kanal-Diamantzone
nach einem hier wiedergegebenen Beispiel dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Herkömmlicher
Weise blieb Diamant, was sein Potential auf dem Wide Band Gap-Halbleitermarkt (WBG-Halbleitermarkt),
also Breitbandlücken-Halbleitermarkt, anbelangt, praktisch
ungenutzt. Tabelle 1 stellt das Potential von Diamant im Vergleich
mit anderen Halbleiterplattformen dar (
Ozpineci, et al.,
"Comparison of Wide Band Gap Semiconductors for Power Electronics
Applications", Dok. Nr. ORNL/TM-2003/257, 12. Dezember 2003, Bericht
des Department of Energy verfügbar unter www.ntis.gov/support/ordernowabaout.htm). Quer
durch alle Felder hat Diamant, und in einigen um Größenordnungen,
höhere Gütezahlen. Die vorliegende Anmeldung beschreibt
technische Verfahren, um Diamant als eine Plattform für
unipolare Bausteinplattformen (d. h. FETs) zu verwenden, und solche
Verwendungsfälle auf andere elektrische, halbleitende Bausteine
auszuweiten. Tabelle 1
| | Si | GaAs | 6H-SiC | 4H-SiC | GaN | Diamant |
| JFM | 1 | 1,8 | 277,8 | 215,1 | 215,1 | 81.000 |
| BFM | 1 | 14,8 | 125,3 | 223,1 | 186,7 | 25.106 |
| FSFM | 1 | 11,4 | 30,5 | 61,2 | 65 | 3.595 |
| BSFM | 1 | 1,6 | 13,1 | 12,9 | 52,5 | 2.402 |
| FPFM | 1 | 3,6 | 48,3 | 56 | 30,4 | 1.476 |
| FTFM | 1 | 40,7 | 1470,50 | 3.424,80 | 1.973,60 | 5.304.457 |
| BPFM | 1 | 0,9 | 57,3 | 35,4 | 10,7 | 594 |
| BTFM | 1 | 1,4 | 748,9 | 458,1 | 560,5 | 1.426.711 |
- JFM
- – Johnsons
Gütezahl (Maß für Hochfrequenzfähigkeitsgrenze)
- BFM
- – Baligas
Gütezahl (Maß für Durchlasswiderstand)
- FSFM
- – Gütezahl
FET-Schaltgeschwindigkeit
- BSFM
- – Gütezahl
bipolare Schaltgeschwindigkeit
- FPFM
- – Gütezahl
FET-Belastbarkeit
- FTFM
- – Gütezahl
FET-Leistungsschaltprodukt
- BPFM
- – Gütezahl
bipolare Belastungsfähigkeit
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1 stellt
eine Draufsicht eines FETs 100 dar, der aus einem Diamantträgerkanal
mit hoher Dotierungskonzentration besteht, der sich zwischen einer
Source 102 und einem Drain 104 erstreckt. Der
hochdotierte Kanal ist in einem Diamantsubstrat 106 ausgebildet,
das in 1 in Draufsicht und in 2 in einer
Vorderansicht gezeigt ist, welche die mehreren Schichten zeigt,
die das Diamantsubstrat 106 bilden. Das Diamantsubstrat 106 ist
auf einen Wachstums-Wafer 108 ausgebildet, der aus einem
verlustarmen dielektrischen Werkstoff wie etwa Quarz, Vicor, Pyrex,
SiC, Quarzglas o. dgl. hergestellt sein kann. Das polykristalline
Diamantsubstrat 106 kann auf dem Wafer 108 abgeschieden
sein. Diese Abscheidung auf einem verlustarmen Werkstoff der n-Art
sorgt für verbesserte HF-Leistung (z. B. niedrigen Streuverlust)
und stellt eine Sperrschicht für den Transistor bereit.
Ein verlustarmer Werkstoff ist ein Werkstoff mit einem niedrigen
Verlustfaktor und einem dielektrischen Verlust, der geringer ist
als derjenige von Silizium.
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Die
Source 102 und der Drain 104 können aus
Gold (Au) oder einem anderen geeigneten Metall hergestellt sein
und können sich, wie gezeigt, unter die Oberfläche
des Diamantsubstrats 106 in vertiefte Abschnitte von diesem
erstrecken. Ein Gate 110, das auch aus Aluminium (Al) hergestellt
ist, erstreckt sich auch unter die Oberfläche des Diamantsubstrats 106 und
in eine Vertiefung. Das Gate 110 umfasst einen unteren
Abschnitt 112, der leicht mit einem Störstoff
der n-Art wie etwa Aluminiumnitrid (AlxNy) dotiert wurde, um eine Pufferzone zu bilden,
um gegen ein Überlaufen der Ladungsträger in eine
P-Kanalzone 114 zu schützen, die sich zwischen
der Source 102 und dem Drain 104 erstreckt.
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Das
Diamantsubstrat 106 ist eine mehrlagige Struktur, die eine
erste intrinsische (undotierte) Diamantzone 116 über
einer stark dotierten Zone 118, auch als Deltakanal bezeichnet,
umfasst, die eine hohe Konzentration an Boratomen, z. B. in der
Größenordnung von E 20 Boratomen/cm3 (1020 B-Atome/cm3) bis
E 25 Boratomen/cm3 oder darüber,
nach technischen Verfahren enthält, die nachstehend noch
erörtert werden. Die Zone 118 ist eine zum Beispiel
ungefähr 3–4 nm dicke Dünnfilmschicht,
die durch Tempern eines nanometerkorngroßen polykristallinen
Diamantwerkstoffs hergestellt werden kann. Eine andere intrinsische
Diamantzone 120 erstreckt sich unter der Zone 118,
zwischen der Zone 118 und einer stickstoffdotierten Abschirmungszone 122,
die als weiterer Puffer gegen Stromtunnelbildung bis zum Wafer-Substrat 108 wirkt.
Die Abschirmungszone 122 erstreckt sich über eine
andere intrinsische Diamantzone 124, die direkt auf dem
Substrat 108 aufgezogen wurde. Die Abschirmungszone 122 kann
wie die anderen Schichten, die das Diamantsubstrat 106 bilden,
eine Dicke in einem Nanometermaßstab, d. h. unter 1 μm
haben. In einem Beispiel und für eine dotierte Zone in
der Größenordnung von 3–4 nm, kann die
Abschirmungszone 122 eine Dicke in der Größenordnung von
150 nm haben. Die Abschirmungszone 122 umfasst Aluminium
und kann darüber hinaus einen Störstoff der n-Art
wie etwa Stickstoff umfassen.
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Beim
dotierten Bereich 118 handelt es sich um einen polykristallinen
Diamanten, der eine Korngröße von bis zu 100 nm
haben kann. Vorzugsweise wird jedoch eine Korngröße
von ca. 10 nm bis ca. 20 nm oder ca. 15 nm verwendet, obwohl unter
manchen Umständen auch so geringe Korngrößen
wie 1 nm verwendet werden können. Ein Transistor wie der
FET 100, der aus reinem Diamant (d. h. ohne graphitische
Phasen) besteht, könnte von der Logik her anfällig
für parasitäre Störungen, Instabilitäten
und Energieverlust sein, wenn er in einer größerem
Korngrößenform oder monokristallinen Form vorläge.
Die Erfinder fanden heraus, dass durch Steuerung der Korngrenzengröße
eine bessere DC- oder Gleichstromleistung erzielt werden kann.
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Nachdem
das Aufwachsen der anfänglichen Diamantschicht, der intrinsichen
Zone 124, und das Dotieren der Abschirmungszone bewerkstelligt
wurde, wird die Zone 118 durch Dotieren eines oberen Abschnitts der
Zone 120 mit Bor ausgebildet. Es können mehrere
technische Abscheidungsverfahren verwendet werden. Typischerweise
ist ein unumgänglicher Schritt hin zu nützlichen
elektronischen Bausteinen auf Diamantbasis die Fähigkeit,
den Diamanten kontrollierbar und reproduzierbar zu dotieren. Ionenimplantation
kann verwendet werden, um die Dotierungskonzentration präzise
zu steuern und über Standardmaskierungsverfahren für räumlich
selektives Dotieren zu sorgen. In Kombination mit der Implantation
kann auch eine Thermofixierung verwendet werden, obwohl Sorge getragen
werden sollte, dass keine unerwünschte Relaxation des Diamanten
zu Graphit stattfindet. Und zwar stellt 3 das Phasendiagramm
vom Kohlenstoff dar, das die Formen zeigt, die Kohlenstoff bei verschiedenen
Temperaturen und Drücken annimmt. Zu Zwecken der offenbarten
Erfindung sollte der Kohlenstoff im Diamantzustand gehalten werden,
ohne zu Graphit zu entspannen. Somit ist eine Überwachung
der Temperatur bei den Drücken wichtig, in denen die Bausteine
hergestellt werden (siehe die schraffierte Fläche, in der
die mit "A" bezeichnete Fläche der gewünschte
Temperatur- und Druckbereich ist, während es sich bei "B"
um die ungewünschte Entspannung zu Graphit handelt).
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Die
Diamantschicht, die sich über der Abschirmung 122 erstreckt
(und die nach dem Dotieren die Schichten 118 und 120 bildet)
kann mit niedrigen MeV einzeln geladenen Bor-Ionen oder einem anderen
geeigneten Dotierungsmittel, um eine Dosis von E 15 Ionen/cm2 bereitzustellen, implantiert werden. Berechnungen,
die sich einer TRIM Monte Carlo-Simulationssoftware bedienen, sagen
voraus, dass die Leerstellenspitzenkonzentration, die durch eine
solche Dosis hervorgerufen wird, E 21 Leerstellen/cm3 betragen
würde, was genau unter der kritischen Dosis liegt, die
nötig wäre, um den Diamanten zu amorphisieren.
Ein derartiges Dotierungsprotokoll liefert eine Bordotierte Schicht,
die typischerweise 3–4 nm dick und ca. 75 nm unter der
Oberfläche des Diamantsubstrats 106 eingebettet
ist, in dem die größte Borkonzentraton durch SIMS
(Secondary Ion Mass Spectrometry – also Sekundärionenmassenspektrometrie)
gemessen ca. E 20 B-Atome/cm3 beträgt, bei
der es sich um ein Oberflächen- und Dünnfilmanalyseverfahren
handelt, das dazu verwendet wird, Spuren- und Hauptelemente auf
festen Flächen zu charakterisieren. Die Konzentrationen
des Bor-Dotierungsmittels in der Zone 118 können
E 21 Atome/cm3 oder höher, E 22
Atome/cm3 oder höher, E 23 Atome/cm3 oder höher, E 24 Atome/cm3 oder höher und E 25 Atome/cm3 oder höher sein. Da Ladungsträgeraktivierungsenergien
von Bor in Diamant abnehmen, wenn die Dosierung zunimmt, ist die
Dosierung in den hier verwendeten Verfahren ausreichend hoch, so
dass die Energien vernachlässigbar sind. Die Implantation
erfolgt typischerweise bei einer Temperatur von bis zu ca. 77 K,
weil diese Temperatur der kritischen Temperatur im Diamant entspricht, die
Fangstellen, Löcher und Instabilitäten immobilisiert,
und die Implantation erfolgt durch eine gewöhnliche Maske
und weil sie Hall-Messungen erleichtert und eine intrinsische Diamantabdeckschicht
auf demselben Diamanten herstellt. Eine volle Ladungsträgeraktivierung
wird aufgrund der hohen Bor-Dosierung im Schmalprofilmaß der
Zone 118 erzielt. Man geht davon aus, dass die Bor-Atome
innerhalb des Profils eingeschlossen und dazu gezwungen werden,
Minibänder zu bilden, die zur erfolgreichen Fortpflanzung über
den sich ergebenden Kanal beitragen. Dieses Ergebnis kann auch dadurch
erzielt werden, dass Bor adsorbierende chemische Mittel während
des Aufwachsens des Diamant-Wafers verwendet werden, um eine intrinsische
Abdeckschicht zu erhalten.
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Ein
Tempern der Diamantzone 118 kann unter Verwendung von zwei
Lösungsansätzen erfolgen: Laserbestrahlung oder
Hochdruck-/Hochtemperatur-Tempern (HPHT-Tempern). Eine Laserbestrahlung
kann unter Verwendung eines gütegeschalteten Lasers, oder
im Spezielleren eines frequenzverdoppelten, gepulsten YAG-Lasers
erfolgen. Der Diamant wird selektiv durch einen Nanosekunden-Laserimpuls
(ca. 532 nm) mit hoher Energiedichte (ca. 800 keV bis ca. 1,4 MeV)
behandelt. Der Laserimpuls wird am Ende des Bereichs selektiv im
Diamant absorbiert und die Temperatur des Diamanten ausreichend
erhöht, um ihn zu schmelzen. Die Schmelzfront wandest zur
Oberfläche des Transistors, setzt den Innendruck frei und
verhindert, dass der Diamant zu Graphit entspannt. Eine volle Ladungsträgeraktivierung
kann mit Kanalmobilitäten von mindestens ca. 1000 cm2/Vs erzielt werden.
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Ein
Hochdruck-/Hochtemperatur-Tempern (HPHT-Tempern) kann am polykristallinen
Diamanten vorgenommen werden, der eine Fläche von bis zu
ca. 3,6 mm2 und eine Dicke von bis zu ca.
2 μm hat. Um das HPHT-Verfahren durchzuführen,
wird der Diamant in einem Natriumchloridblock in einem Graphitofen
eingeschlossen, der eine Hochdruckvorrichtung der Bauart einer kubischen
Schabotte verwendet. Die Bedingungen für diesen Einschluss
bringen es mit sich, den Diamanten ungefähr eine Stunde
lang einem Druck von ca. 6 GPa und einer Temperatur von ca. 1200°C
auszusetzen. Bei diesem Druck und dieser Temperatur ist der Diamant
immer noch innerhalb des thermodynamisch stabilen Bereichs von Diamant,
wie in 1 zu sehen ist. Unter solche Bedingungen ist die
freie Anregungsemission bei Umgebungstemperaturen fast verdoppelt,
und die Umgebungsmobilität nach dem Tempern beträgt
typischerweise 1042 cm2/Vs.
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Die
Oberfläche des Diamantsubstrats 106 kann Passivierungs-
und Abschlussprobleme erfahren, die, wenn nicht ordnungsgemäß damit
umgegangen wird, die Nutzungsdauer und Funktion herabsetzen können. Deshalb
hat die Oberfläche des Diamantsubstrats 106, d.
h. haben die freiliegenden Zonen 107 auf jeder Seite des
Gates 110, eine darauf ausgebildete (nicht gezeigte) Passivierungsschicht,
um gegen Verunreinigung zu schützen. Die Oberflächen-Passivierungsschicht
sollte im Vergleich zu Diamant ein höheres oder zumindest gleich
hohes Durchbruchfeld aushalten können. Elektrische Isolierung
kann durch lokale Sauerstoffterminierung erzielt werden, dies erzielte
eine Oberflächenpotentialfestsetzung bei 1,7 V über
dem Valenzbandrand und eine damit verbundene Oberflächenverarmung.
Die Diamantoberfläche bei 200°C ungefähr
15 Minuten lang einer Schwefel- und Salpetersäurelösung
auszusetzen, kann dazu verwendet werden, eine Sauerstoffterminierung
auf der Oberfläche zu erzielen. Die Menge absorbierten
Sauerstoffs kann überwacht werden, um eine Entstehung von
Dipolen zu verhindern.
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Für
die ohmschen Kontakte des Gates 110, der Source 102 und
des Drains 104 können standardmäßige Ätz-
und Fotolithografieschemata eingesetzt werden. Source- und Drainkontakte
können durch Goldmetallisierung durch eine standardmäßige
Schattenmaske erzielt werden. Die Elektroden können in
einer Lösung charakterisiert werden, die wässrige
Lösungen von sowohl Schwefelsäure als auch Kaliumhydroxid
umfasst. Die Auslegung kann modifiziert werden, um die Laserbestrahlung/-bearbeitung
dazu zu nutzen, eine Graphitsäulentunnelbildung sowohl
von Source als auch Drain zum FET- Kanal zu schaffen. Dies kann die
DC-Ergebnisse verbessern, weil die Widerstände bezüglich
jedes Bauteils sinken würden.
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Drei
spezifische, einzigartige Funktionen wurden in eine beispielhafte
Auslegung im Hinblick auf das Gate 110 aufgenommen: das
Gate 110 ist vertieft; die Pufferzone 112, die
teilweise von der n-Art ist, wird verwendet; und es werden (in 2 nicht
gezeigte) Feldplatten 126 und 128 verwendet. Die
erste dieser Funktionen, bei der es sich um das vertiefte Gate handelt,
ermöglicht die Auslegung, Störstrombegrenzer außerhalb der
Gate-Zone über das freie Oberflächenpotential
zu vermeiden und die Anreicherungsbetriebsart voll zu nutzen. Zuerst
wurde der Gate-Bereich der Diamantzone 116 mittels Elektronenstrahllithografie
geätzt, dann wurde die Vertiefung unter Verwendung reaktiven
Ionenätzens erzielt, was zu einer Vertiefung von ca. 30
nm führte. Um die größte HF-Leistungsdichte
zu erhalten, wurde eine Kombination aus Gate-Parametern und Schichtladungsdichte
eingesetzt. Die maschinelle Ausrüstung, die verwendet wurde,
um die HF-Aspekte zu messen, war ein Prüfstand auf Waferbasis.
Indem die spezifische Kombination von Parametern, wie etwa z. B.
Schichtladungsdichte, Gate-Länge u. dgl. verwendet wird,
kann die größte HF-Leistungsdichte erhalten werden.
Auf diese Weise wurden variable Lösungen für die
Matrix implementiert, die Schichtladungsdichte, Gate-Länge und
geometrische Abmessungen der Gate-Feldplatte und -vertiefung mit
einbezogen. Die Gate-Metallisierung wurde durch Elektronenstrahlaufdampfung
von Aluminium und eine Strukturierung mittels Elektronenstrahllithografie
erzielt. Die Gate-Breite (entlang der y-Achse von 1)
betrug ungefähr 50 μm und die Gate-Länge (entlang
der x-Achse von 1) betrug ungefähr
100 nm. Als Nächstes wurde das Gate-Metall mit Stickstoffdotierungsmittel
behandelt, um eine Gate-Sperre innerhalb des Bausteins zu schaffen.
Obwohl das Gate bei Raumtemperatur noch nicht voll aktiviert war,
erreichte es doch sein erwünschtes Ergebnis als dielektrische Sperre.
Um schließlich Störkapazität und die
mit dem Gate 110 verbundene hohe Feldzone zu eliminieren, wurde
sowohl eine Einbeziehung dreidimensionaler Formgebung als auch der
Nutzfeldplatten sichergestellt. Dies wurde durch eine Überlappungsmetallisierung
erreicht. Die Feldplatte 126, die sich 1 μm zum
Drain 104 hin erstreckt, und die Feldplatte 128,
die sich 1 μm zu den Sources 102 hin erstreckt,
ermöglichten eine Entspannung des elektrischen Felds im
Gate-Vertiefungsbereich, sodass ein Durchbruch bei einer viel höheren Drain- Vorspannung
auftrat als derjenigen, die mit einer ebenen Struktur verbunden
ist. Die hohen Feldplatten 126 und 128 können
aus Al hergestellt und an der Oberfläche des Diamantsubstrats 106 angrenzend
an das Gate 110 und über einem Teil des p-Kanals 114 angebracht
werden.
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Die
Ausgangskennlinien sind grafisch in den beigefügten Darstellungen
detailliert. Die Zahlen von Interesse sind wie folgt: der HF-Leistungsausgang,
die höchste Drain-Spannung und der höchste Drain-Strom betragen
ungefähr 26,7 W/mm bei ungefähr 1 GHz, –127
V bzw. –1,8 A/mm bei einer Gate-Spannung von –4 V.
Die Kleinsignalabweichung reichte von 1 GHz bis 81 GHz bei einem
Betrieb der Klasse A. Dieser Bereich kann vergrößert
werden, indem die Korngröße des Substrats noch
weiter verkleinert wird, um für eine bessere Wellenfortpflanzung
zu sorgen. Die Korngröße ist eine Eigenschaft
des verwendeten Werkstoffs. Oberflächenpotential- und DC-Charakterisierungsmessungen
wurden durch AFM Kelvin Sonden-Mikroskopie durchgeführt.
Die HF-Messungen erfolgten auf einem Prüfstand auf Waferbasis.
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BEISPIELE
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Bor-dotierte
P-Kanal-FETs aus nanokristallinem Diamant wurden unter Verwendung
eines neuartigen Lösungsansatzes in verschiedenen bestehenden
Verfahren hergestellt. In einer beispielhaften Implementierung wurde
ein synthetischer Diamant verwendet, der von Advanced Diamond Technologies,
Inc. (Argonne, IL) bereitgestellt worden war. Speziell wurde der
UNCD (ultrananokristalline Diamant) Aqua 100 (Korngröße ungefähr
25 nm) deswegen ausgewählt, weil seine mechanischen und
elektrischen Eigenschaften natürlichem Diamant so ähnlich
sind. Darüber hinaus ist diese Diamantschicht eine derjenigen
mit der höchsten Phasenreinheit (keine graphitischen Phasen).
Nach dem Diamantwachstum war der nächste Schritt, die verschiedenen
Bereiche im Diamanten zu definieren. Der erste zu definierende Bereich
war eine 50 nm-Pufferschicht (ähnlich derjenigen der Schicht 122).
Diese Schicht wurde durch hochenergetische (2,1 MeV) Ionenimplantation
des Diamanten bei 77 K mit einer Stickstoffdosierung bei 1,8 E 16/cm3 ausgebildet. Im zweiten Schritt wurde die
mit Bor dotierte Kanalschicht mittels Ionenimplantation unter Verwendung
einer wesentlich höheren Konzentration (Na >> 1020, Dotierungsprofil < 5 nm) bei einer
Ionenenergie von 1,1 MeV ausgebildet. Auf diese Weise verblieb eine
50 nm dicke undotierte Abdeckschicht oben auf dem Kanal. Die Proben
wurden über Laserbearbeitung getempert, was jegliche Entspannung
des Diamanten zu Graphit verhindert und eine volle Aktivierung der
Akzeptoren und eine teilweise Donatoraktivierung sicherstellte.
Die Bearbeitung erfolgte durch hoch energiedichte Nanosekunden-Laserimpulse
(532 nm) unter Verwendung eines gütegeschalteten, frequenzverdoppelten,
gepulsten Nd:YAG-Lasers. Nach dem Reinigen der Proben wurde der
Gate-Bereich durch Elektronenstrahllithograhie gebildet und eine
(ca. 30 nm tiefe) Vertiefung durch RIE geätzt. Schließlich
wurde die Kontaktmetallisierung (Au) durch Elektronenstrahlaufdampfen
abgeschieden und durch herkömmliche Lithografie (Source,
Drain) und Elektronenstrahllithografie (Gate) strukturiert. Als
Nächstes war die Einbeziehung der Gate-Feldplatte notwendig
und erfolgte mit denselben Mitteln wie das Gate selbst. Eine Feldplatte ermöglicht
die Entspannung des elektrischen Felds im Gate-Vertiefungsbereich,
so dass ein Durchbruch bei einer viel höheren Drain-Vorspannung
stattfindet. Die Effizienz der Feldentspannung kann durch die Länge
der Feldplatte beeinflusst werden. Was den Fall einer Plattenlänge
gleich 1 μm angeht, betrug die größte
festgestellte HF-Leistung ungefähr 27 W/mm. Indem diese
Gate-Länge erhöht wird, sollte die Leistungsbelastungsfähigkeit
des Bausteins ihre Wärmegrenze erreichen. Allerdings kann
die Störfeldplattenkapazität zunehmen, wenn die
Feldplatte verlängert wird. Da die dielektrische Konstante
von Diamant niedriger ist als diejenige anderer Breitbandlücken-Halbleiter
(z. B. GaN), ist die Auswirkung der Störfeldplattenkapazität
auf die HF-Leistung von FET-Strukturen auf Diamantgrundlage geringer
als diejenige von Bausteinen auf GaN-Grundlage mit ähnlichen
Strukturen.
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Um
die Grenzfrequenz und die Höchstfrequenz der Schwingung
sowohl für die größte verfügbare
Verstärkung (MAG) als auch die größte
einseitige Verstärkung (MUG) zu erhalten, wurden Kleinsignalparametermessungen
(S-Parametermessungen) an der sich ergebenden Struktur durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in 4 zu sehen, die die gemessene
MAG und MUG in Gegenüberstellung zur Frequenz zeigt. 4 zeigt
die HF-Verstärkungskurven von Stromverstärkung
und größter Leistungsverstärkung über
einen Bereich von Frequenzen. Die extrahierten Grenzfrequenzen fr
und fmax lagen etwas über 1 GHz, wobei fr der Bezugswertpunkt
des Betriebs der Klasse A ist, das heißt, der Punkt, bei
dem das Signal des Bausteins während des Betriebs der Klasse
A ausgegeben wird. In 5 sind die Ausgangskennlinien
des Bausteins für verschiedene Drain-Spannungen unter einer
Gate-Spannung von –4 V gezeigt. Der größte
Drain-Strom, Id, beträgt 1,8 A/mm, und
die höchste Drain-Spannung, Vd,
beträgt 127 V. Schließlich ist in 6 eine
Leistungsablenkung dargestellt und zeigt die Energieverstärkung,
die vom Prüfstand auf Waferbasis für HF-Datenleistungsinformation gemessen
wurde, die bei 1 GHz bei Kleinsignalmessungen für den Betrieb
der Klasse A erhalten wurde.
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Obwohl
die Anmeldung Beispiele in Zusammenhang mit einem FET erörtert,
wird selbstverständlich klar sein, dass die vorliegenden
technischen Verfahren stark mit Störstellen dotierte nanokristalline
Diamantschichten beschreiben, die sich in anderen elektrischen Bausteinen
einschließlich Dioden und anderen Schaltern verwenden lassen,
und nicht auf die hier aufgezeigten spezifischen Ausführungen
beschränkt sind.
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Obwohl
besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
aufgezeigt und beschrieben wurden, wird den Fachleuten auf dem Gebiet
klar sein, dass Änderungen und Modifizierungen vorgenommen
werden können, ohne von der Erfindung in ihren weitgefassteren
Aspekten abzuweichen. Deshalb ist es das Ziel in den beigefügten
Ansprüchen, alle derartigen Veränderungen und
Modifizierungen abzudecken, wenn sie in den wahren Sinngehalt und
Umfang der Erfindung fallen. Der in der vorstehenden Beschreibung
und den beigefügten Zeichnungen dargelegte Gegenstand ist
nur als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung dargeboten.
Der tatsächliche Umfang der Erfindung soll in den folgenden
Ansprüchen bei deren Betrachtung aus der richtigen, auf
dem Stand der Technik beruhenden Perspektive definiert werden.
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Zusammenfassung
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Ein
elektrisch leitender P-Kanal-Diamantgitter-Feldeffekttransistor
(DLFET), der aus nanokristallinem Diamant mit mindestens ca. 1020 Atomen/cm3 Bor
im Leiterkanal besteht, ist zusammen mit Verfahren zu dessen Herstellung
offenbart. Der nanokristalline Diamant lässt sich dadurch
charakterisieren, dass er für eine verbesserte Leistung
des DLFETs einen mittleren Korngrößendurchmesser
von weniger als 1 μm und insbesondere Korngrößen
in der Größenordnung von 10 bis 20 nm hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Ozpineci,
et al., "Comparison of Wide Band Gap Semiconductors for Power Electronics
Applications", Dok. Nr. ORNL/TM-2003/257, 12. Dezember 2003, Bericht
des Department of Energy verfügbar unter www.ntis.gov/support/ordernowabaout.htm [0015]