JP7069203B2 - ダイヤモンド半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気装置に関し、特に、固体電界放出によって自由電子を生成するように構成された電気装置に関する。
シリコンは、ハイパワー、高周波、及び極限の環境におけるスイッチング及び増幅用途のためのベース電子材料として使用される場合に限界がある。ダイヤモンドは、その熱的性質、誘電的性質、及びキャリア移動の性質のために、そのような環境においてシリコンよりも適した材料であることが知られており、ダイヤモンドから作られた装置は、その用途を実行するために必要とされる別々の装置の数を減らすことによって、複雑さを著しく減らす可能性がある。
しかし、ダイヤモンドを使用して半導体装置を製作することは困難である。ほとんどの半導体装置では、電子機能は、結晶構造へのドーパントとして知られる材料の選択的導入を介してベース材料の電子的性質を変更することによって達成される。ダイヤモンドの場合、ダイヤモンド結晶格子のサイズが比較的小さいため、利用可能なドーパントの選択肢は限られている。その結果、ダイヤモンド結晶構造に最も擾乱を与えない２つのドーパントは、ホウ素（ｐ型）及び窒素（ｎ型）である。しかし、ホウ素ドープダイヤモンドは適度に効果的なｐ型半導体であるけれども、効果的なｎ型ドーパントはまだ見つかっていない。なぜなら、いずれのドーパント種も、それぞれ０．７ ｅＶ及び４．５ ｅＶの活性化エネルギーを有する深いドナーであり、電荷キャリアの解放に寄与して効果的な装置の動作を実現するための加熱が必要となるからである。しかし、加熱のプロセスは、キャリア移動度及び電界破壊強度の減少も引き起こし、その結果、ダイヤモンドをハイパワースイッチの作製に適したものにする主な特徴の２つを妥協している。
また、真空への鋭い先端又は突出部からの電界放出に基づき代替の電子装置を作製することも知られている。印加された電場が比較的強い場合、電子は、低下したポテンシャルエネルギー障壁を通る量子力学的トンネルによって、材料から逃避し得る。Ｓｐｉｎｄｔ型チップは、そのような真空電界放出装置の一例である。しかし、そのような装置は、多くの基本的な問題を抱えている。第一に、真空は完璧ではなく、従って、少数の電子が残留しているガス原子と衝突し、ガス原子をイオン化することになる。次に、これらのイオンは、最も高い電界強度の領域に向かってドリフトし、これらのイオンが放出のポイントにて陰極に衝撃を与え、有限及び累積の損傷に影響を与えるように、このプロセスにおいて加速され、その結果、冷陰極装置の寿命は、半導体装置の寿命よりも著しく短い。これらの装置は、その温度が動作中に著しく上昇し、その結果、装置の電気抵抗が増え、それによって、放出される電流が減少し、寿命をさらに短くする二次分解機構が導入されるというさらなる欠点を抱えている。
電界放出チップの寿命を延ばすために、酸化物層等のハードコーティングの使用が探究されてきた。使用することができる代替のハードコーティングはダイヤモンドである。しかし、そのようなコーティングは、ベース導電性金属との熱膨張係数の一致が乏しいという問題を抱えている。問題を軽減する別の方法は、誘電材料内に完全に電場強化構造体を包埋することによるものであり、誘電材料はそれにもかかわらず、自由電子に対する高い電子移動度を維持することができる。これの一例は、非特許文献１に開示されているように、電子エミッタが包埋されているダイヤモンド層に真空を置き換えることである。非特許文献１において記載されている構成は、ダイヤモンド層内のｎ型ドーパントとして、置換窒素を使用しており、これは、電子エミッタの先端の近くの電場を促進する。しかし、この構成は、電子エミッタの先端の金属－ダイヤモンド界面からさらに離れたダイヤモンド基板内のｎ型ドーパントが、ダイヤモンド基板を通る電子の伝導を抑制するという欠点を抱えている。
さらなる既知の装置が特許文献１において開示されており、この装置は、ダイヤモンドの材料特性が活用されることを可能にする単極構造を使用し、事実上、上記の真空をダイヤモンドに置き換える。しかし、この構成は、その性能が、ダイヤモンド内の窒素で達成され得る低いｎ型ドーパントの密度及び関連する高い活性化エネルギーによって制限されるという欠点を抱えている。
特許文献２は、複数の半導体ダイヤモンド層及びトレンチ構造を含む半導体装置を開示している。
特許文献３は、ダイヤモンド基板と、基板内に延びる導電性エミッタとを含む電気スイッチング装置を開示している。
Ｍ．Ｗ．Ｇｅｉｓ ｅｔ ａｌ．"Ｄｉａｍｏｎｄ ｅｍｉｔｔｅｒｓ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｙ"，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ１４（３），Ｍａｙ／Ｊｕｎ １９９６
本発明の好ましい実施形態は、上記の先行技術の欠点のうち１つ又は複数の欠点を克服しようと努めている。
本発明の一態様によると、電気装置が提供され、当該電気装置は：
ダイヤモンド材料の基板；
上記の基板内のそれぞれの凹部に延びる少なくとも１つの細長い第１の導電性部分；及び
少なくとも１つのドープされた半導体領域であり、少なくとも１つのそれぞれの上記の第１の導電性部分と上記の基板との間に配置され、上記の第１の導電性部分と上記の基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適した、少なくとも１つのドープされた半導体領域；
を含む。
ダイヤモンド材料の基板；
上記の基板内のそれぞれの凹部に延びる少なくとも１つの細長い第１の導電性部分；及び
少なくとも１つのドープされた半導体領域であり、少なくとも１つのそれぞれの上記の第１の導電性部分と上記の基板との間に配置され、上記の第１の導電性部分と上記の基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適した、少なくとも１つのドープされた半導体領域；
を含む。
少なくとも１つのそれぞれの第１の導電性部分と基板との間に配置され、導電性部分と基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適した、少なくとも１つのドープされた半導体領域を提供することによって、これは、導電性部分の周囲に正の空間電荷の高度に画定された領域を生成することによって、導電性部分との界面にて局所的な電場を促進し、それによって、導電性媒体からダイヤモンド基板内に電子が移される効率を大幅に改善し、その結果、より多くの電流伝導を可能にするという利点を提供する。本発明は、半導体領域を十分に薄くすることによって、ドーパントの導入によって生じる格子ストレスが比較的取るに足らないものになり、ドーパント材料のより広い選択肢が利用可能になるというさらなる利点を有する。加えて、ダイヤモンド基板と導電性部分との間に別の半導体領域を提供することによって、ダイヤモンド基板がドープされないまま残ることができ、その結果、電子伝導に対するドープされたダイヤモンドの抑制効果を最小限に抑えることができるという利点が提供される。
少なくとも１つの上記の半導体領域はダイヤモンドを含んでもよい。
少なくとも１つの上記の半導体領域は、ｎ型半導体特徴を上記の領域に与えるために少なくとも１つのドナードーパントを含んでもよい。
少なくとも１つの上記の半導体領域は、ｎ型半導体特徴を上記の領域に与えるように複数のドーパント材料を含んでもよい。
これによって、エネルギーレベルのより広い選択肢を提供するという利点が提供される。
少なくとも１つの上記のドーパントはＩ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記のドーパントはＶ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記のドーパントはＶＩ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記の第１の導電性部分は、上記の電場を局所的に促進するように構成されてもよい。
少なくとも１つの上記の第１の導電性部分は、半導体領域とのショットキー接触を形成する少なくとも１つの金属を含んでもよい。
当該装置は、少なくとも１つの上記の第１の導電性部分に接続された少なくとも１つの第２の導電性部分をさらに含んでもよい。
これによって、選択されることになる材料の適した導電性の追跡を可能にするという利点が提供される。
当該装置は、少なくとも１つの上記の半導体領域の表面の少なくとも一部を終端化させる少なくとも１つの第１の終端材料をさらに含んで、そこに正の電子親和力を与えてもよい。
少なくとも１つの上記の第１の終端材料は酸素を含んでもよい。
少なくとも１つの上記の第１の終端材料はフッ素を含んでもよい。
本発明の別の態様によると、電気装置を形成する方法が提供され、当該方法は：
ダイヤモンド材料の基板内に少なくとも１つの凹部を形成するステップ；
少なくとも１つの上記の凹部内に少なくとも１つのドープされた半導体領域を形成するステップ；及び
少なくとも１つの上記の凹部内に少なくとも１つの細長い第１の導電性部分を形成するステップであり、少なくとも１つの上記の半導体領域は、少なくとも１つの上記の第１の導電性部分と上記の基板との間に配置され、上記の第１の導電性部分と上記の基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適している、ステップ；
を含む。
ダイヤモンド材料の基板内に少なくとも１つの凹部を形成するステップ；
少なくとも１つの上記の凹部内に少なくとも１つのドープされた半導体領域を形成するステップ；及び
少なくとも１つの上記の凹部内に少なくとも１つの細長い第１の導電性部分を形成するステップであり、少なくとも１つの上記の半導体領域は、少なくとも１つの上記の第１の導電性部分と上記の基板との間に配置され、上記の第１の導電性部分と上記の基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適している、ステップ；
を含む。
少なくとも１つの上記の半導体領域はダイヤモンドを含んでもよい。
少なくとも１つの上記の半導体領域は、ｎ型半導体特徴を上記の領域に与えるために少なくとも１つのドナードーパントを含んでもよい。
少なくとも１つの上記の半導体領域は、ｎ型半導体特徴を上記の領域に与えるために複数のドーパント材料を含んでもよい。
少なくとも１つの上記のドーパントはＩ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記のドーパントはＶ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記のドーパントはＶＩ族元素であってもよい。
少なくとも１つの上記の第１の導電性部分は、上記の電場を局所的に促進するように構成されてもよい。
当該方法は、少なくとも１つの第２の導電性部分を、少なくとも１つの上記の第１の導電性部分に適用するステップをさらに含んでもよい。
当該方法は、少なくとも１つの上記の半導体領域の表面の少なくとも一部を終端化させて、そこに正の電子親和力を与えるステップをさらに含んでもよい。
ダイヤモンド材料の基板内に少なくとも１つの凹部を形成するステップは、上記の基板の表面上に少なくとも１つの触媒材料を配置し、上記の触媒材料に、接触しているダイヤモンドを非ダイヤモンドの炭素材料に変換させ、上記の触媒材料に上記の基板に浸透させるステップを含んでもよい。
次に、本発明の好ましい実施形態が、付随の図面を参照して、単なる例として、いかなる限定的な意味でもなく記載される。
図１を参照すると、ダイオードタイプの電気スイッチング装置２がダイヤモンド基板４を有し、その表面において、凹部６が、例えば、特許文献１において定義されるように、小さい曲率半径を有する点をもたらすエッチングプロセスによって形成されている。凹部６は、好ましくは形状が細長く、基板４の上面１０に対して概して垂直であり、且つ、傾斜した遠位表面１２の曲率半径の特徴をさらに減少させた側壁８を好ましくは有する。この凹部６の形状は、以下においてさらに詳細に記載されるように、完成した装置２における電場促進に著しく寄与する。
窒素又はリン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）等のＶ族元素等、適した添加剤又は硫黄でドープされたダイヤモンド材料の半導体層１４の形態のｎ型半導体領域が、ダイヤモンド基板４上に、具体的には、凹部６の遠位表面１２上に形成される。半導体層１４は、半導体層１４へのドーパントの添加がダイヤモンド半導体層１４において著しい格子ストレスを引き起こさないように十分に薄くすることができる。基板４から見て外方に向いている半導体層１４の表面１６は、半導体層１４に正の電子親和力を与えるように改変される。これは、例えば、１００℃以上で少なくとも３０分間、濃硫酸及び過酸化水素の混合物等、非常に重度に酸化する溶液において表面１６を処理すること、不活性ガス及び酸素を含有するプラズマチャンバ内で処理すること、又は４００℃まで３０分間、低圧酸素雰囲気においてダイヤモンド層１４を加熱すること、又は上記のステップの任意の組み合わせによって等、ダイヤモンド半導体層１４の表面１６の酸素終端によって達成することができる。或いは、表面は、フッ素を使用して終端化することができる。
凹部６は、細長い金属の突出部１８の形態の第１の導電性材料で満たされる。突出部１８は、例えば金、白金、ルテニウム、又は銀等、ダイヤモンドと接触したときにショットキー効果を示す金属から形成されるが、一般的には、焼き鈍ししたときにダイヤモンドと炭化物を自然には形成しない任意の金属を含む。ダイヤモンド半導体層１４の表面終端１６は、導電性金属の突出部１８と半導体ダイヤモンド層１４との間の障壁の高さを減少させ、その結果、電子がバルクダイヤモンド基板４の伝導帯にトンネルを掘ることができる効率を改善する。さらなる金属層２０の形態の第２の導電性材料が、導電性金属の突出部１８に適用され、追加の許容電流値を提供し、さらに、装置パッケージにおける接点の結合をより容易にする。適した金属の電極２２が、金属の突出部１８に対して基板４の反対側の表面に適用される。
次に、図１及び２において示されている装置２の動作が記載される。
導電性の突出部１８及び金属層２０によって形成された陰極と、ダイヤモンド基板４の反対側の表面上の金属層２２によって形成された陽極との間に電圧が印加されると、金属の突出部１８における電場は、突出部１８の遠位端で最も強力になる。図３において例示されているように、ｎ型ダイヤモンド半導体層１４は、層１４内のドーパント材料から予備の電子を失い、その結果、枯渇し、金属の突出部１８の遠位端の周りに正の空間電荷の領域を作り出す。これは、Ｆｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍ量子力学的トンネルに対する条件を満たすことができるように、局所的な電場を著しく促進する。ダイヤモンド以外の材料を使用して枯渇効果を作り出すことができるということが当業者によって正しく理解されることになるけれども、ｎ型ダイヤモンドを使用することによって、半導体層１４は、ダイヤモンド基板４と完全に熱的及び電気的に適合する。電子は、金属の突出部１８の遠位端から放出され、半導体層１４によって作り出される促進された電場は、電子が正に帯電した半導体層１４を通ってダイヤモンド基板４に入るのを速めるのに十分な電位を提供する。
半導体層は、層１４が格子ストレスを発生させないように十分に薄い厚さ（典型的には２０ｎｍの領域）で作製することができ、その結果、ドーパントとしての窒素及びリン等の元素の使用を可能にする。図３において示されているように、示されている方向で図２の構造体に電場が印加されると、半導体層１４は、バルクダイヤモンド基板４内に余分な電子を失い、このプロセスは、金属の突出部１８の細長い構造によって生成される高電場によって促進される。電子はダイヤモンドの伝導帯に近いため、このプロセスは、金属の突出部１８からダイヤモンド基板４へ直接電子を移動させるのに必要とされる電圧よりも低い電圧を必要とする。その結果、半導体層１４は、電子が枯渇し、さらに、非常に正の空間電荷を帯びるようになり、これは、半導体層１４にわたる電場に、金属の突出部１８及び半導体層１４の接合部からＦｏｗｌｅｒ－Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネルを刺激するのに必要な約１０７ Ｖｍｍ－１の電場条件を超えさせる。この条件下では、金属の突出部１８は、正の空間電荷を中和するために電子を注入させられるが、半導体層１４は非常に薄いため、電子は、空間電荷を著しく中和することなく、半導体層１４を直接通り抜けてダイヤモンド基板４に入る。半導体層１４の厚さの適した選択によって、トンネル放出に対する１０７ Ｖｍｍ－１の基準が満たされるように局所的な電場が十分に集中するということを確実にするが、電場は急速に減少もするため、放出された電子は、電子が次にバルクダイヤモンド４の格子内の炭素原子と非弾性的に衝突し、これが、原子をイオン化させ、次に、装置２を破壊する恐れがあるアヴァランシェプロセスを引き起こし得る程度までは加速されないということを確実にすることができる。
図４は、電場促進に対する導電性金属の突出部１８の形状の効果を示している。β因子と呼ばれる、予想される一様場に対する電場強化のレベルは、幾何学的形状も影響を与えるけれども、その基部の平面上の突出部の高さとその直径の比に関係している。図４（ｅ）において見られるように、図１において示されている突出部１８の形状は、電場に対して著しく強化された効果を有する。
図５は、電場促進に対する半導体層１４におけるドーパント濃度の効果を示している。ドーパント濃度のレベルは、金属の突出部１８の周囲の電場の増幅に対しても、各突出部１８から放出される電流に対しても影響を与える。半導体層１４におけるドーパントレベルは、各突出部１８の先端からの電子放出の電流密度に対しても影響を与える。これは、図６において示されている。
半導体層１４の厚さは、装置２の効果に対しても影響を与える。突出部１８の先端の放出の点にて形成された枯渇層内に生成された高い電場は、ベースダイヤモンド材料の絶縁強度を超える。放出された電子がアヴァランシェ効果又は材料の絶縁破損をトリガし得るほど多くのエネルギーを得ないように妨げるために、移行中に電子に与えられるエネルギーがこの効果を引き起こすであろう速度まで電子を速めるのに不十分であるように、層の厚さは制限される必要がある。これは、図５において示されているように、半導体層１４におけるドーパント濃度によってそれ自体が決定されるデバイ長を単位として表される。本件では、ドーパント濃度レベルは、電場促進を最大にするために、１０１８原子／ｃｍ３を超える、好ましくは１０２０原子／ｃｍ３を超えるべきである。これは、１～１０デバイ長の領域の半導体層１４の厚さを示唆している。
上述の実施形態は、単なる例として、いかなる限定的な意味でもなく記載されてきたということ、及び、様々な変更及び修正が、付随の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく可能であるということが当業者によって正しく理解されることになる。例えば、本発明において使用されるダイヤモンド基板４は、単結晶ダイヤモンドから作ることができるが、上記の本発明の原理は、ナノ結晶ダイヤモンドにも適用することができる。後者の場合、孔の形状は、細長い円筒である可能性が高い。
Claims (22)
- ダイヤモンド材料の基板と、
前記基板内のそれぞれの凹部に延びる少なくとも１つの細長い第１の導電性部分であって、前記凹部は、前記基板の表面から延在する、第１の導電性部分と、
少なくとも１つのドープされた半導体領域であって、少なくとも１つのそれぞれの前記第１の導電性部分と前記基板との間に配置され、前記第１の導電性部分と前記基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、前記半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適した、少なくとも１つのドープされた半導体領域と、
を含む電気装置であって、
少なくとも１つの凹部は、前記凹部の先端に点を画定する少なくとも１つの傾斜した遠位表面をさらに含み、少なくとも１つの前記ドープされた半導体領域は、それぞれの前記傾斜した遠位表面上に配置されている、電気装置。 - 少なくとも１つの前記半導体領域はダイヤモンドを含む、請求項１に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記半導体領域は、ｎ型半導体特徴を前記領域に与えるために少なくとも１つのドナードーパントを含む、請求項１又は２に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記半導体領域は、ｎ型半導体特徴を前記領域に与えるために複数のドーパント材料を含む、請求項３に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記ドナードーパントはＶ族元素である、請求項３又は４に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記ドナードーパントは硫黄である、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記第１の導電性部分は、前記電場を局所的に促進するように構成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記第１の導電性部分は、前記半導体領域とのショットキー接触を形成する少なくとも１つの金属を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記第１の導電性部分に接続された少なくとも１つの第２の導電性部分をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記半導体領域の表面の少なくとも一部を終端化させる少なくとも１つの第１の終端材料をさらに含み、そこに正の電子親和力を与える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記第１の終端材料は酸素を含む、請求項１０に記載の装置。
- 少なくとも１つの前記第１の終端材料はフッ素を含む、請求項１０又は１１に記載の装置。
- 電気装置を形成する方法であって、
ダイヤモンド材料の基板内に少なくとも１つの凹部を形成するステップであって、前記凹部は、前記基板の表面から延在する、ステップと、
少なくとも１つの前記凹部内に少なくとも１つのドープされた半導体領域を形成するステップと、
少なくとも１つの前記凹部内に少なくとも１つの細長い第１の導電性部分を形成するステップであって、少なくとも１つの前記半導体領域は、少なくとも１つの前記第１の導電性部分と前記基板との間に配置され、前記第１の導電性部分と前記基板との間で、電場を印加することによりｎ型半導体材料として振る舞うように構成され、前記半導体領域内に正の空間電荷の領域を生じさせるのに適している、ステップと、
を含み、
少なくとも１つの前記凹部を形成するステップは、前記凹部の先端に点を画定する少なくとも１つの傾斜した遠位表面を形成するステップをさらに含み、少なくとも１つの前記ドープされた半導体領域は、それぞれの前記傾斜した遠位表面上に配置される、方法。 - 少なくとも１つの前記半導体領域はダイヤモンドを含む、請求項１３に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記半導体領域は、ｎ型半導体特徴を前記領域に与えるために少なくとも１つのドナードーパントを含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記半導体領域は、ｎ型半導体特徴を前記領域に与えるために複数のドーパント材料を含む、請求項１５に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記ドナードーパントはＶ族元素である、請求項１５又は１６に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記ドナードーパントは硫黄である、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記第１の導電性部分は、前記電場を局所的に促進するように構成される、請求項１３乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも１つの第２の導電性部分を、少なくとも１つの前記第１の導電性部分に適用するステップをさらに含む、請求項１３乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも１つの前記半導体領域の表面の少なくとも一部を終端化させて、そこに正の電子親和力を与えるステップをさらに含む、請求項１３乃至２０のいずれか一項に記載の方法。
- ダイヤモンド材料の基板内に少なくとも１つの凹部を形成するステップは、前記基板の表面上に少なくとも１つの触媒材料を配置し、前記触媒材料に、接触しているダイヤモンドを非ダイヤモンドの炭素材料に変換させ、前記触媒材料に前記基板に浸透させるステップを含む、請求項１３乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
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