DE4210402C2

DE4210402C2 - Diamant-Schottky-Diode

Info

Publication number: DE4210402C2
Application number: DE4210402A
Authority: DE
Inventors: Koji Kobashi; Koichi Miyata; Kozo Nishimura
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2012-03-31
Also published as: GB2254732B; JPH04302172A; DE4210402A1; US5352908A; GB9206760D0; GB2254732A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diamant-Schottky- Diode zur Verwendung für ein Gleichrichter-Gerät.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Diamant hat eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine aus gezeichnete Beständigkeit gegenüber Wärme und einen großen Band abstand. Er ist elektrisch isolierend, wird aber bei Dotierung halbleitend. Duch das Aufkommen der Synthese von Diamantfilmen durch chemische Dampfabscheidung (CVD) ist es nun möglich ge worden, B(Bor)-dotierte, halbleitende Diamantfilme des p-Typs und Si-dotierte, halbleitende Diamantfilme des n-Typs aufwachsen zu lassen.

Forschung und Entwicklung wurde durchgeführt, um Halbleiter- Bauelemente unter Verwendung dieser halbleitenden Diamantfilme zu entwickeln, z. B. eine Diamant-Schottky-Diode zur Verwendung für ein Gleichrichter-Gerät, das in einem Bereich hoher elektri scher Spannung/hoher Temperatur betrieben werden kann. Eine Diamant-Schottky-Diode besteht aus einer halbleitenden Diamant schicht und einer Metallelektrode. Sie hat eine höhere Schottky- Sperre von 1,2 eV als die herkömmliche Diode (0,8 eV), die aus einer halbleitenden Siliziumschicht und einer Metallelektrode aus Aluminium oder dergl. besteht. Infolgedessen ist der Sperr verzögerungsstrom auf Grund thermionischer Emission bei der Diamant-Schottky-Diode unter einer Sperrvorspannung klein.

Eine Diamant-Schottky-Diode mit einem in Fig. 7 gezeigten Querschnittsaufbau ist in der Literatur beschrieben (G. Sh. Gilden blat et al., Technical Digest of 1988 Int. Electron Device Meeting). Sie besteht aus einem Siliziumsubstrat 51 von geringem Widerstand (spezifischer Widerstand: kleiner als 1 Ω . cm), einer B-dotierten, halbleitenden Diamantschicht 52 des p-Typs und einer aus Au oder Al hergestellten Metallelektrode 53.

Die Diamant-Schottky-Diode wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Das Siliziumsubstrat 51 wird in geeigneter Größe zu geschnitten und dann etwa 30 Minuten mit einer Diamantpaste mit einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 1 µm poliert. Auf dem Siliziumsubstrat 51 wird durch Mikrowellen-CVD die B-dotierte, halbleitende Diamantschicht 52 des p-Typs gebildet. Als Reaktions gas dient ein Ausgangsgas aus CH₄-H₂-Gemisch (CH₄ Konzentration: 0,5%), dem ein Dotierungsgas aus mit H₂ verdünntem Diboran B₂H₆ zugesetzt wird. Es erfordert etwa 7 Stunden, um die halbleitende Diamantschicht 52 von etwa 2 µm Dicke zu bilden.

Aus der US-Patentschrift Nr. 4 982 243 ist eine Diamant- Schottky-Diode bekannt, die ein Einkristalldiamant-Substrat, eine auf diesem Substrat gebildete, halbleitende Diamant schicht sowie eine auf dieser halbleitenden Diamantschicht gebildete Schottky-Elektrode besitzt, wobei das Substrat eine speziell definierte Oberflächenstruktur aufweist. Die halbleitende Diamantschicht wird durch ein herkömmliches Plasma-CVD-Verfahren mittels Bordotierung eines Methan sowie Wasserstoff enthaltenden Ausgangsgases auf dem Einkristalldiamant-Substrat gebildet.

Die wie oben angegeben hergestellte, herkömmliche Diamant- Schottky-Diode ist dadurch nachteilig, daß der Rückstrom (Strom in Sperrichtung) hauptsächlich auf dem Rekombi nationsstrom beruht und größer als der aufgrund thermioni scher Emission ist. Es besteht daher die Notwendigkeit einer Verringerung des Rückstroms.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diamant- Schottky-Diode zu schaffen, die eine ausgezeichnete Gleichrichtleistung bei einem geringen Rückstrom hat.

Zur Lösung der genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Diamant-Schottky-Diode mit einem elektrisch leitfähigen Substrat, mit einer Mehrschicht-Struktur aus einer halbleitenden Diamantschicht und einer isolierenden Diamantschicht und mit einer Metallelektrode, wobei die isolierende Diamantschicht aus einem Sauerstoff-haltigen Ausgangsgas gebildet ist und eine höhere Kristallinität aufweist als die halbleitende Diamantschicht.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung deutlich. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Diamant-Schottky- Diode nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Energiebanddiagramm für eine Diamant-Schottky- Diode der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die das Strom-Spannungs verhalten einer erfindungsgemäßen Diamant-Schottky-Diode zeigt;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die das Strom-Spannungs verhalten einer anderen erfindungsgemäßen Diamant-Schottky-Diode zeigt;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die eine unterschied liche Darstellung des in Fig. 4 gezeigten Strom-Spannungsverhal tens bei logarithmischer Auftragung des Stroms und linearer Auf tragung der Spannung zeigt;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die das Strom-Spannungs verhalten einer Bezugs-Diamant-Schottky-Diode ohne eine isolieren de Diamantschicht zeigt; und

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt einer herkömmlichen Diamant-Schottky-Diode.

Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird die Funktion der erfindungsgemäßen Diamant-Schottky-Diode erläu tert.

Die Diamant-Schottky-Diode der Erfindung hat den vorgenannten Aufbau, und demzufolge wird eine Potentialbarriere unter einer Sperrvorspannung verstärkt, wodurch ein Strom in Sperrrichtung extrem verkleinert wird. Dies wird weiter unten unter Bezugnahme auf die Diode mit einer halbleitenden Diamantschicht des p-Typs erläutert.

Fig. 2 ist ein Energieband der erfindungsgemäßen Diamant- Schottky-Diode, bei der an der Grenzfläche zwischen der isolieren den Diamantschicht I und einer Metallelektrode M ein flaches Band angenommen wird. In dieser Figur zeigt (a) ein Energiebandaufbau unter Nullvorspannung (Vorspannung V = 0), (b) unter Sperrvorspan nung (V < 0), wobei an die Metallelektrode M eine positive Spannung angelegt ist, und (c) unter einer Durchlassvorspannung (V < 0), wobei an die Metallelektrode M eine negative Spannung angelegt ist. Ferner zeigen E_F1, E_F2 und E_F3 Fermi-Niveaus in der Metallelektrode M, der isolierenden Diamantschicht I bzw. der halbleitenden Dia mantschicht P des p-Typs. E_C2 und E_C3 sind die Energien an den untersten Rändern der Leitungsbänder bzw. E_V2 und E_V3 sind die Energien an den höchsten Rändern der Valenzbänder in der iso lierenden Diamantschicht I und der halbleitenden Diamantschicht P des p-Typs. _b1 und _b2 sind die Potentialsperren an der Grenz fläche zwischen der Metallelektrode M bzw. der isolierenden Diamantschicht I. V_bi ist das eingebaute Potential der halbleiten den Diamantschicht P des p-Typs.

Wenn die Sperrvorspannung an der Metallelektrode M positiv ist, wie in Fig. 2(b) gezeigt, da der Widerstand der isolieren den Diamantschicht I größer als der der halbleitenden Diamant schicht P des p-Typs ist, ist die Reihenfolge der Fermi-Niveaus E_F1 < E_F3 < E_F2, und die halbleitende Diamantschicht P des p-Typs hat auf Grund des angelegten elektrischen Feldes ein stark gekrümm tes Energieband.

Daher hat die Grenzfläche zwischen der halbleitenden Diamant schicht P des p-Typs und der isolierenden Diamantschicht I eine hohe Potentialsperre, die verhindert, daß Löcher von der Metall elektrode M zu der halbleitenden Diamantschicht P des p-Typs transportiert werden. Außerdem hat die isolierende Diamantschicht I ein gleichförmiges elektrisches Feld, wodurch die in die Schicht eingetretenen Löcher verlangsamt werden.

Unter einer Durchlassvorspannung, bei der die Metallelektrode M negativ ist, wie in Fig. 2(a) gezeigt, ist das scheinbare eingebaute Potential der halbleitenden Diamantschicht P des p-Typs verringert, und die in die isolierende Diamantschicht I eingetretenen Löcher werden durch das elektrische Feld beschleunigt. Infolgedessen unter liegen die Löcher dem Transport zur Metallelektrode. Unterdessen unterliegen Elektronen infolge der Potentialsperre _b2 an der Grenzfläche zwischen der Metallelektrode M und der isolierenden Diamantschicht I weniger dem Transport.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Eine Diamant-Schottky-Diode, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wurde nach der folgenden Arbeitsweise hergestellt:

1. Ein Siliziumsubstrat von geringem Widerstand (spezifischer Widerstand: weniger als 1 Ω . cm; Größe: 20 mm × 10 mm) wurde etwa 1 Stunde mit Diamantpaste mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,25 µm poliert. Auf dem Siliziumsubstrat 1 wurde durch Mikro wellen-Plasma-CVD eine B-dotierte, polykristalline, halbleitende Diamantschicht 2 des p-Typs von 1,5 bis 3 µm gebildet. Als Reak tionsgas diente ein Ausgangsgas aus einem CH₄-H₂-Gemisch (CH₄- Konzentration: 0,5%), dem das Dotierungsgas Diboran (B₂H₆) (ver dünnt mit H₂) in einer Konzentration von 0,1 ppm zu der gesamten Gasströmungsgeschwindigkeit von 100 sccm zugesetzt war. Die Reak tionszeit betrug 7 bis 14 Stunden.
2. Auf der halbleitenden Diamantschicht 2 des p-Typs wurde durch Mikrowellen-Plasma-CVD eine isolierende Diamantschicht 3 gebildet. Als Reaktionsgas diente ein Ausgangsgas aus CH₄-H₂-Ge misch (CH₄-Konzentration: 0,5%), dem Sauerstoff in einer Konzen tration von 0,1% zu der gesamten Gasströmungsgeschwindigkeit von 100 sccm zugesetzt wurde. Es erforderte 30 und 60 Minuten, um die isolierende Diamantschicht 3 von etwa 0,05 µm bzw. 0,1 µm Dicke zu bilden. Auf der isolierenden Diamantschicht 3 wurde unter Ver wendung einer Magnetron-Zerstäubungsapparatur eine Al-Elektrode 4 mit einem Durchmesser von 100 µm gebildet.
Zum Vergleich wurde die gleiche Arbeitsweise wie oben angegeben wiederholt, wobei jedoch die isolierende Diamantschicht 3 nicht gebildet wurde und die Al-Elektrode auf der halbleitenden Diamantschicht 2 des p-Typs gebildet wurde.
3. Dann wurde das Siliziumsubstrat 1 unter Benutzung einer Säge (dicing saw) zu einzelnen Chips von 5 mm × 5 mm geschnitten. Jeder Chip wurde etwa 5 Minuten in Schwefelsäure auf 80°C erwärmt, um organische Rückstände zu entfernen, und mit reinem Wasser ge waschen. Anschließend wurde der Chip jeweils 5 Minuten einer Reinigung mit H₂O₂ + NH₃OH + H₂O und H₂O₂ + HCl + H₂O unterworfen, um Schwermetalle und alkalische Rückstände zu entfernen. Schließlich wurde der Chip mit reinem Wasser gewaschen und 5 Minuten in einem Ofen bei 120°C getrocknet.
4. Eine aus einer Kupferplatte gebildete ohmsche Elektrode 5 wurde mit einer Silberpaste an die Rückseite des Siliziumsubstrats 1 gebunden.

Die so erhaltenen Diamant-Schottky-Dioden wurden unter Benut zung eines Prüfgeräts bei Raumtemperatur (etwa 24°C) auf ihr Strom-Spannungsverhalten (I-V-Kurve) geprüft. Die Ergebnisse sind in den Fig. 3 bis 6 gezeigt: Fig. 3 ist eine I-V-Kurve der Probe mit einer etwa 0,05 µm dicken, isolierenden Diamantschicht. Fig. 4 ist eine I-V-Kurve der Probe mit einer etwa 0,1 µm dicken, isolierenden Diamantschicht. Fig. 5 ist eine unterschiedliche Darstellung der I-V-Kurve der Fig. 4, wobei der Strom logarith misch und die Spannung linear aufgetragen sind. Fig. 6 ist eine I-V-Kurve der Bezugsprobe ohne eine isolierende Diamantschicht.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß die Diamant- Schottky Diode bei diesen Beispielen in dem Gleichrichtverhalten verbessert ist, wobei der Strom in Sperrichtung im Vergleich mit der in Fig. 6 gezeigten Bezugsprobe stark verringert ist. Ferner wird der Strom in Sperrichtung verringert, wenn die Dicke der isolierenden Diamantschicht 3 vergrößert wird. In diesem Beispiel wird der minimale Sperrstrom bei der Probe mit der isolierenden Diamantschicht 3 von etwa 0,1 µm erreicht, die durch die Umsetzung während 60 Minuten gebildet wurde. Die in Fig. 4 gezeigte I-V- Kurve ist erneut in Fig. 5 dargestellt, wobei der Strom loga rithmisch und die Spannung linear aufgetragen sind. Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, ist der Strom in Sperrichtung für eine Messung mit dem benutzten I-V-Analysator zu klein. Die Sperrstrom dichte war nach dem Meßbereich schätzungsweise kleiner als 1,3 × 10^-9 A/cm². Das vorgenannte Strom-Spannungsverhalten zeigt, daß die Diamant-Schottky-Diode als hauptsächliche Ladungsträger Löcher hat.

Theoretisch sollte die Diamant-Schottky-Diode angemessen funktionieren, wenn die isolierende Diamantschicht 3 eine Dicke hat, die das Mehrfache der de Broglie-Wellenlänge des Loches be trägt. In diesem Beispiel könnte der Sperrstrom in der Probe mit einer etwa 0,1 µm dicken, isolierenden Diamantschicht 3 verrin gert werden, die durch 60-minütige Umsetzung gebildet wurde. Dies legt nahe, daß die isolierende Diamantschicht 3 kontinuierlich in einer gewissen Dicke auf der polykristallinen, halbleitenden Diamantschicht 2 des p-Typs gebildet werden muß, die eine ver hältnismäßig rauhe Oberfläche hat.

Wenn andererseits die isolierende Diamantschicht 3 übermäßig dick ist, wird an ihr ein großer Spannungsabfall eintreten. Infolge dessen wird die an die halbleitende Diamantschicht 2 des p-Typs angelegte Spannung für eine Änderung des eingebauten Potentials der Schicht zu klein, so daß das ideale Strom-Spannungsverhalten erreicht wird. Die zulässige maximale Dicke der isolierenden Dia mantschicht 3 beträgt etwa 10 µm.

Da die isolierende Diamantschicht 3 aus einem Ausgangsgas aus CH₄-H₂-Gemisch mit zugesetztem Sauerstoff gebildet wird, ist sie im übrigen in der Kristallinität der B-dotierten, halb leitenden Diamantschicht 2 überlegen. Daher hat sie weniger Gitterfehlstellen auf ihrer Oberfläche, was die Niveaudichte an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht und der Al-Elektrode 4 verringert, so daß der Rekombinationsstrom vermindert wird. Dies ist eine weitere denkbare Begründung für den kleinen Sperrstrom.

In diesem Beispiel diente Aluminium für die auf der isolie renden Diamantschicht 3 ausgebildete Metallelektrode 4. Aluminium kann jedoch durch irgendein anderen Metall ersetzt werden, weil Diamant eine stark kovalente Substanz mit sehr festliegendem Fermi-Niveau ist. Die Veränderung des Metalls beeinflußt daher die Potentialsperre an der Grenzfläche zwischen der isolierenden Diamantschicht und der Metallelektrode nur wenig. Wenn jedoch eine der Karbidbildung zugängliche Elektrode benutzt wird, setzt sie sich mit der isolierenden Diamantschicht 3 unter Bildung von Karbid an ihrer Grenzfläche um, das als eine ohmsche Elektrode fungiert. Daher wird ein Metall, das der Karbidbildung weniger zugänglich ist, wie Al, Au oder Pt, für die auf der isolierenden Diamantschicht gebildete Metallelektrode bevorzugt.

Beispiel 2

Es wurde eine Diamant-Schottky-Diode mit einer halbleitenden Diamantschicht des n-Typs anstelle der halbleitenden Diamantschicht 2 des p-Typs hergestellt.

Auf einem Siliziumsubstrat mit geringem Widerstand wurde durch Mikrowellen-Plasma-CVD eine Si-dotierte, polykristalline, halbleitende, etwa 2 µm dicke Diamantschicht des n-Typs gebildet. Als Reaktionsgas diente ein CH₄-H₂-Gemisch (CH₄-Konzentration: 0,5%), dem SiH₄ (Silan) in Verdünnung mit H₂ in einer Konzen tration von 0,5 ppm auf die gesamte Gasströmungsgeschwindigkeit von 100 sccm zugesetzt war. Die Reaktionszeit betrug 7 Stunden.

Auf der halbleitenden Diamantschicht des des n-Typs wird durch Mikrowellen-Plasma-CVD eine isolierende Diamantschicht von 0,1 µm Dicke gebildet. Es wurde das gleiche Reaktionsgas wie in Beispiel 1 eingesetzt, und die Reaktionszeit betrug 60 Minuten. Auf der isolierenden Diamantschicht wurde eine Al-Elektrode mit einem Durchmesser von etwa 100 µm gebildet. Auf der Rückseite des Siliziumsubstrats wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit einer Silberpaste eine ohmsche Elektrode aus einer Kupfer platte befestigt.

Die so erhaltene Diamant-Schottky-Diode mit einer halblei tenden Diamantschicht des n-Typs wurde auf ihr Strom-Spannungs verhalten hin geprüft. Es wurde gefunden, daß der Sperrstrom im Vergleich mit der Diamant-Schottky-Diode des n-Typs ohne isolie rende Diamantschicht extrem verringert ist. In diesem Fall war der Sperrstrom für eine Messung mit dem benutzten I-V-Analysator zu klein, so daß die Sperrstromdichte nach dem Meßbereich auf weniger als 1 × 10^-9 A/cm² geschätzt wurde. Da diese Diamant- Schottky-Diode den halbleitenden Diamant des n-Typs hat, wird ein Durchlaßstrom erzeugt, wenn eine positive Spannung an die Aluminiumelektrode angelegt wird.

Claims

Diamant-Schottky-Diode mit einem elektrisch leitfähigen Substrat, mit einer Mehrschicht-Struktur aus einer halbleitenden Diamantschicht und einer isolierenden Diamantschicht und mit einer Metallelektrode, wobei die isolierende Diamantschicht aus einem Sauerstoff haltigen Ausgangsgas gebildet ist und eine höhere Kristallinität aufweist als die halbleitende Diamantschicht.