DE4209161C2

DE4209161C2 - Diamant-Heterodiode

Info

Publication number: DE4209161C2
Application number: DE4209161A
Authority: DE
Inventors: Koji Kobashi; Kozo Nishimura; Shigeaki Miyauchi; Kazuo Kumagai; Rie Katoh
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-03-22
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: JPH07118546B2; JPH04293273A; GB2253943A; US5298766A; GB2253943B; DE4209161A1; GB9206041D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diamant-Heterodiode zur Verwendung als Halbleiter-Gleichrichtervorrichtung.

Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hervorragende Wärmebe ständigkeit und einen großen Bandabstand. Er ist elektrisch isolie rend, wird aber durch Dotierung halbleitend. Es ist daher zu erwarten, daß Diamant für Halbleitervorrichtungen zu verwenden ist, die im Bereich hoher elektrischer Leistung oder hoher Temperatur funktionsfä hig sind. Durch die inzwischen erreichte Synthese von Diamantfilmen durch chemisches Aufdampfen (CVD) wurde es nunmehr möglich, mit B (Bor) dotierte p-halbleitende Diamantfilme und mit Si oder P (Phosphor) dotierte n-halbleitende Diamantfilme zu züchten.

Es wurden Untersuchungen und Entwicklungsstudien zum Entwickeln von Halbleitervorrichtungen ausgeführt, in denen derartige halbleitende Diamantfilme verwendet sind, bspw. zum Entwickeln einer Diamant-Diode mit pn-Übergang als Gleichrichter. Eine solche Diamant-pn-Übergang-Di ode, die in der Literatur beschrieben wurde (Iwasaki und andere, "Abstract of the Spring Meeting of Japan Society of Applied Physics", 30a-ZB-10, S. 388 (1990) und "Appl. Phys. Lett.", Bd. 58, 25. 2. 1991, S. 840-841), wurde durch Züchten einer mit P dotierten n-halbleitenden Diamantschicht auf einer mit B dotierten p-halbleiten den Diamantschicht hergestellt, wodurch der pn-Übergang mit dem Gleichrichtereffekt gebildet wurde.

Aus der älteren Anmeldung EP-0 420 188 A1 ist bereits eine Diamant-Heterodiode mit zweischichten Aufbau bekannt, welche eine p-halbleitende Diamantschicht und eine nicht aus Diamant bestehende n-halbleitende Schicht aufweist.

Darüber hinaus ist aus der älteren Anmeldung EP-0 445 998 A1 eine Diamant-Schottkydiode mit dreischichten Aufbau bekannt, bei der zwischen einer Schottkyelektrode und einer p-leiten den Diamantschicht eine aus Diamant bestehende isolierende Zwischenschicht angeordnet ist, die dünner als 1 µm ist.

Fig. 6 ist eine Energiebanddarstellung für eine herkömmliche Diamant- Diode mit pn-Übergang, und zwar (a) ohne Vorspannung (Vorspannung V = 0), (b) mit einer Durchlaßvorspannung (V < 0), wobei eine positive Spannung an die p-halbleitende Diamantschicht P angelegt ist, und (c) mit Sperrvorspannung (V < 0), wobei an die p-halbleitende Diamant schicht P eine negative Spannung angelegt ist, während die n-halbleitende Diamantschicht N positiv ist. In dieser Figur ist EC die Energie an dem untersten Rand des Leitungsbandes, E_V die Energie an dem höchsten Rand des Valenzbandes und E_F das Fermi-Niveau.

Gegenwärtig ermöglicht die CVD-Technologie die Synthese eines p-halb leitenden Diamantfilms mit einem spezifischen Widerstand bis herab auf ungefähr 10 Ωcm. Es ist jedoch lediglich die Synthese eines n-halblei tenden Diamantfilms mit einem spezifischen Widerstand in der Größen ordnung von 10⁴ bis 10⁶ Ωcm möglich, da in den Film die aktiven Fremd stoffe in nur geringer Konzentration eingebracht werden können. Aus diesem Grund wird in der herkömmlichen Diamant-Diode mit pn-Über gang die Verarmungszone an der n-halbleitenden Diamantschicht seitens des pn-Übergangs dick. Infolgedessen ist die Krümmung des Energieban des an dem pn-Übergang abgestumpft und daher der Gradient des elektri schen Potentials an dem pn-Übergang nicht steil, wie es in Fig. 6 ge zeigt ist. Daher wird dann, wenn bei Durchlaßvorspannung die Löcher aus der p-Schicht in die n-Schicht oder die Elektronen aus der n- Schicht in die p-Schicht befördert werden, die Übertragungsgeschwin digkeit gering und es wird die Wegstrecke über den pn-Übergang länger. Infolgedessen können diese Ladungsträger durch Gitterstörstellen und Dotierungsatome eingefangen werden, wobei sie durch Rekombination mit diesen verschwinden, was einen ausreichenden elektrischen Stromfluß verhindert. Ferner ergeben sich häufig amorphe Schichten und Defekte an der Grenzfläche des pn-Übergangs, wodurch die Sperrschicht höhe bei der Sperrvorspannung verringert ist, was ein Fließen des Stroms in der Gegenrichtung zuläßt. Eine solche Diamant-Diode mit pn- Übergang muß daher hinsichtlich ihrer Gleichrichtungseigenschaften verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Diamant-Heterodiode mit guten Gleichrichtungseigenschaften zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 aufge führten Merkmalen gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Diode ist im Pa tentanspruch 2 aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Diamant- Heterodiode,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strom/Spannung- Kennlinien einer Diamant-Hetero diode,

Fig. 3 eine Energiebänderdarstellung einer Diamant-Heterodiode, in der eine isolierende Zwischenschicht und eine nicht aus Diamant bestehen de n-halbleitende Schicht jeweils aus einer isolie renden Diamantschicht bzw. aus n-Silicium bestehen,

Fig. 4 ein Energiebänderdiagramm einer Diamant-Heterodiode, in der die isolierende Zwischenschicht und die nicht aus Diamant bestehende n-halbleitende Schicht aus Siliciumdioxid bzw. n- Silicium bestehen,

Fig. 5 ein Energiebänderdiagramm einer Diamant-Heterodiode, in der die isolierende Zwischenschicht und die nicht aus Diamant bestehen de n-halbleitende Schicht aus Siliciumcarbid bzw. n- Silicium bestehen, und

Fig. 6 ein Energiebänderdiagramm einer herkömmlichen Diamant-Diode mit pn-Übergang.

Vor der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird die Funktion der Diamant-Heterodiode erläutert.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 bis 5 hat die Diamant-Heterodiode eine Energiebänderstruktur, die von der in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Diamant-Diode mit pn-Übergang völlig verschieden ist. Setzt man die jeweiligen Bandabstände einer p-halbleitenden Diamant schicht P, einer isolierenden Zwischenschicht I und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N als Eg(P), Eg(I) und Eg(N) an, könnten die Energiebänderstrukturen entsprechend der Größe der Bandabstände in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden. In diesen Figuren ist jeweils die Energiebänderstruktur (a) ohne Vor spannung (Vorspannung V = 0), (b) bei Durchlaßvorspannung (V < 0), wo bei an die p-halbleitende Diamantschicht P eine positive Spannung angelegt ist, und (c) bei Sperrvorspannung (V < 0) dargestellt, bei der an die p-halbleitende Diamantschicht P eine negative Spannung angelegt ist, wäh rend die n-halbleitende Schicht N positiv ist. In diesen Figuren be zeichnet E_C die Energie an dem untersten Rand des Leitungsbandes, E_V die Energie an dem höchsten Rand des Valenzbandes und E_F das Fermi-Niveau. Die Kategorien sind:

Eg(P) = Eg(I) < Eg(N) (1)

Dies entspricht einem dreischichtigen Aufbau der Diamant-Heterodiode aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden Dia mantschicht I und einer n-halbleitenden Siliciumschicht N, die einen kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das Energiebänderdiagramm für diesen Fall ist in Fig. 3 gezeigt.

Eg(I) < Eg(P) < Eg(N) (2)

Dies entspricht der Diamant-Heterodiode mit einem dreischichtigen Auf bau aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden Zwischenschicht I aus Siliciumdioxid und einer n-halbleitenden Schicht N aus Silicium, das einen kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das Energiebänderdiagramm in diesem Fall ist in Fig. 4 gezeigt.

Eg(P) < Eg(I) < Eg(N) (3)

Dies entspricht der Diamant-Heterodiode mit dem dreischichtigen Aufbau aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden Zwi schenschicht aus Siliciumcarbid und einer n-halbleitenden Schicht N aus Silicium, das einen kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das En ergiebänderdiagramm für diesen Fall ist in Fig. 5 gezeigt.

Da gemäß den vorstehenden Ausführungen die Diamant- Heterodiode zwischen einer p-halbleitenden Diamantschicht P und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N eine isolie rende Zwischenschicht I hat, entsteht ein durch die elektrische Stromzufuhr verursachtes elektrisches Feld in erster Linie an der isolierenden Zwischenschicht I. Bei dem Anlegen einer Sperrvorspannung sammelt die p-Diamantschicht P die negativen Ladungen und die nicht aus Diamant bestehende n-Schicht N die positiven Ladungen, was zu einer Energiebänderstruktur mit einer Einkerbung gemäß Fig. 3(c), 4(c) und 5(c) führt. Die durch die Zwischenschicht verursachte Einkerbung sowie die Sperrschicht verhindern, daß Löcher aus der nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N zu der p-halbleitenden Diamantschicht P transportiert werden. Elektronen haben eine vernachlässigbare Wirkung, da sie in der p-halbleitenden Diamantschicht P Minoritätsträger sind. Infolgedessen ist in der Diamant-Heterodiode der Sperrstrom weitaus geringer als in der herkömmlichen Diamant-Diode mit pn-Übergang.

Da ferner die Diamant-Heterodiode ein n-halbleitendes Material mit niedrigem elektrischen Widerstand enthält, hat der Heteroübergang eine kürzere Verarmungszone im Vergleich zu der herkömmlichen Diamant-Diode mit pn- Übergang. Infolgedessen besteht dann, wenn Ladungsträger wie Elektro nen oder Löcher über den Heteroübergang transportiert werden, hin sichtlich der Ladungsträger eine geringere Tendenz zum Verschwinden durch Rekombination. Bei einer Durchlaßvorspannung beschleunigt das an der isolierenden Zwischenschicht I anliegende starke elektrische Feld den Transport der Elektronen und Löcher, was einen stärkeren Durchlaß strom als bei der herkömmlichen Diamant-Diode mit pn-Übergang ergibt.

Erfindungsgemäß sollte die Isolierschicht vorzugsweise aus einem Mate rial bestehen, das aus der Gruppe gewählt ist, welche in Dampfphase abgelagerten Diamant, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumni trid (Si₃N₄) umfaßt. Diese Materialien haben eine kovalente Kristall struktur wie der die p-halbleitende Schicht bildende Diamantfilm und wie das Silicium, das ein typisches Material für das Bilden der nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht ist. Daher haben diese Materialien weniger Defekte an der Heteroübergang-Grenzfläche zwischen der halbleitenden Diamantschicht und der halbleitenden Siliciumschicht als andere isolierende Materialien. Die isolierende Zwischenschicht muß dünner als 1 µm sein. Falls sie dicker als 1 µm ist, hat die Di ode einen großen elektrischen Widerstand, was zu schlechten Gleich richtungseigenschaften führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der folgenden Beispiele ausführ lich beschrieben:

Beispiel 1

Eine Diamant-Heterodiode gemäß Fig. 1 wurde in folgenden Schritten hergestellt: Ein niederohmiges p-Siliciumsubstrat 1 (spezifischer Wi derstand kleiner als 0,01 Ωcm, Format: 20 mm×10 mm) wurde über ungefähr eine Stunde mit einer Diamantpaste poliert, die eine mittlere Teil chengröße von 0,25 µm hatte. Auf dem p-Siliciumsubstrat wurden im Mi krowellenplasma-CVD-Verfahren drei Schichten in der Aufeinanderfolge einer B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2 (in 5 µm Dicke), einer undotierten polykristallinen isolierenden Dia mantschicht 3A (in 0,5 µm Dicke) und einer polykristallinen n-halblei tenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm Dicke) gebildet.

Bei der Synthese der p-halbleitenden Diamantschicht 2 wurde in einem gesamten Gasdurchsatz von 100 cm³/min einem Ausgangsgas aus einem CH₄- H₂-Gemisch (mit einer CH₄-Konzentration von 0,5%) ein Dotierungsgas aus (mit H₂ verdünntem) Diboran (B₂H₆) hinzugefügt. Bei der Synthese der isolierenden Diamantschicht 3A wurde ein Rohstoffgas aus einem CH₄-H₂-Gemisch (mit einer CH₄-Konzentration von 0,5%) mit Sauerstoff in der Konzentration von 0,1% bei einem gesamten Gasdurchsatz von 100 cm³/min verwendet.

Auf der n-halbleitenden Siliciumschicht 4 wurde durch Photolithogra phie eine Elektrode 5 aus einem Au-Film mit einem Durchmesser von un gefähr 100 µm gebildet. Die Rückseite des p-Siliciumsubstrats wurde galvanisch über eine Silberpaste mit einer Elektrode 6 in Form einer Kupferplatte verbunden. Zum Vergleich wurde eine pn-Übergang-Heterodi ode auf die vorstehend beschriebene Weise ohne die isolierende Dia mantschicht 3A hergestellt.

Die auf diese Weise hergestellten Dioden wurden hinsichtlich der Strom/Spannung-Kennlinien (I/V-Kurven) mittels eines Prüfgeräts gete stet. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß gegenüber der Vergleichs-Heterodiode ohne die isolierende Zwi schenschicht die Diamant-Heterodiode gemäß diesem Beispiel weitaus verbesserte Gleichrichtungseigenschaften hatte, was durch einen gerin gen Sperrstrom und einen hohen Durchlaßstrom angezeigt ist.

Beispiel 2

Eine Diamant-Heterodiode wurde in folgenden Schritten hergestellt: Es wurde die gleiche dreischichtige Struktur wie bei dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß die isolierende Diamantschicht 3A durch eine isolierende Schicht aus Siliciumdioxid ersetzt wurde.

Die drei Schichten wurden auf einem niederohmigen Siliciumsubstrat I nach dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren in der Aufeinanderfolge einer B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2 (in 5 µm Dicke), einer isolierenden Siliciumdioxidschicht 3B (in 2 nm Dicke) und einer polykristallinen n-halbleitenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm Dicke) gebildet. Wie bei dem Beispiel 1 wurde auf der n-Silicium schicht 4 eine Au-Elektrode 5 mit ungefähr 100 µm Durchmesser gebildet und mit der Rückseite des p-Siliciumsubstrats 1 durch eine Silberpaste eine ohmsche Elektrode 6 in Form einer Kupferplatte verbunden.

Die auf diese Weise hergestellte Diode wurde mit einem Prüfgerät hin sichtlich der Strom/Spannung-Kennlinien (I/V-Kurven) getestet. Die Er gebnisse sind gleichfalls in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß gegenüber der Vergleichs-Heterodiode mit pn-Übergang die Dia mant-Heterodiode gemäß diesem Beispiel stark verbesserte Gleichrich tungseigenschaften hat, die durch einen geringen Sperrstrom und einen hohen Durchlaßstrom angezeigt sind.

Beispiel 3

Eine Diamant-Heterodiode wurde in folgenden Schritten hergestellt: Es wurde die gleiche dreischichtige Struktur wie bei dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß die isolierende Diamantschicht 3A durch eine isolierende Schicht aus Siliciumcarbid ersetzt wurde.

Die drei Schichten wurden auf einem niederohmigen Siliciumsubstrat 1 nach dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren in der Aufeinanderfolge einer B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2 (in 5 µm Dicke), einer isolierenden Siliciumcarbid-Schicht 3C (in 2 nm Dicke) und einer polykristallinen n-halbleitenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm Dicke) gebildet. Wie bei dem Beispiel 1 wurde auf der n-Silicium schicht 4 eine Au-Elektrode 5 mit 100 µm Durchmesser gebildet und mit der Rückseite des p-Siliciumsubstrats 1 durch eine Silberpaste eine ohmsche Elektrode 6 in Form einer Kupferplatte verbunden.

Die auf diese Weise hergestellte Diode wurde hinsichtlich der Strom/Spannung-Kennlinien mittels eines Prüfgeräts getestet. Die Er gebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß gegenüber der Vergleichs-Heterodiode mit dem pn-Übergang die Diamant-Heterodiode gemäß diesem Beispiel außerordentlich verbesserte Gleichrichtungsei genschaften hatte, wie sie durch einen kleinen Sperrstrom und einen hohen Durchlaßstrom in Erscheinung treten.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Diamant-Heterodiode mit einer isolierenden Zwischenschicht aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) gleichfalls gute Gleichrichtungseigenschaften zeigt. Der vorangehend genannte He teroübergang mit Dreischichtenstruktur kann gleichfalls bei einer mehrschichtigen Struktur aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N an gewandt werden, bspw. bei PNP- und NPN-Halbleitervorrichtungen wie Transistoren oder PNPN- und NPNP-Halbleitervorrichtungen wie bistabi len Dioden.

Claims

1. Diamant-Heterodiode, gekennzeichnet durch einen dreischichtigen Aufbau aus einer p-halbleitenden Diamantschicht (2, P), einer isolie renden Zwischenschicht (3; I), die dünner als 1 µm ist, und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht (4; N).

2. Diamant-Heterodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Zwischenschicht (3; I) aus mindestens einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe Dampfphasenablagerungs-Diamant, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumnitrid gewählt ist.