TW201907571A - 電氣裝置 - Google Patents
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Abstract
揭示一種電氣裝置(2)。該裝置包含一金剛石材料基板(4)以及複數個長狀金屬突起(18)各自延伸入該基板的凹部(6)。配置在各自的突起及該基板之間的摻雜半導體層(14)。當在該等突起及該基板之間施加電場時，該等半導體層表現為n型半導體材料，適合於在該等半導體層內產生正空間電荷區域。
Description
本發明係有關一種電氣裝置，且尤其有關一種適於藉由固態場發射而產生自由電子之電氣裝置。
在高功率、高頻率及極端環境中，當使用矽作為開關及放大應用的基體電子材料時，具有侷限性。已知的是，由於金剛石的熱特性、介電特性及載子遷移特性，金剛石在此種環境中是比矽更適合的材料，且由金剛石製成的裝置藉由減少執行應用所需的分離裝置之數量，提供了顯著減少複雜度之可能性。
然而，使用金剛石製造半導體裝置是困難的。在大多數半導體裝置中，電子功能是藉由將被稱為摻雜劑的材料選擇性地引入晶體結構中來改變基體材料的電子特性來達成。在金剛石之情況下，由於金剛石晶格的尺寸相對較小，可用的摻雜劑之選擇是有限的。因此，對金剛石晶體結構產生最小干擾的兩種摻雜劑是硼(p型)及氮(n型)。然而，儘管摻雜硼的金剛石是合理有效的p型半導體，但還沒有發現有效的n型摻雜劑，因為兩種摻雜劑種類都是活化能分別為0.7eV及4.5eV的 深施體，導致需要加熱以輔助釋放電荷載子以實現有效的裝置操作。然而，加熱過程也會導致在載子遷移率及電場崩潰強度的減低，藉此危及使金剛石適用於製造高功率開關的兩個主要特徵。
基於從尖端或突起進入真空的電子場發射來製造另種可供選擇的電子裝置也是已知的。當施加的電場相對較強時，電子可能藉由量子力學穿隧穿過降低的位能障壁而從材料逸出。斯賓特尖端(spindt tips)是此種真空場發射裝置的一個例子。然而，此種裝置遭受許多基本問題。首先，沒有真空是完美的，且少量電子因此將與殘留的氣體原子碰撞，導致氣體原子離子化。接著，這些離子朝向最高場強度的區域漂移，並且在此過程中被加速，使得它們在發射點碰撞陰極並且影響有限及累積的損害，因此冷陰極裝置的壽命顯著比半導體裝置的壽命更短。這些裝置遭受進一步的缺點在於，它們的溫度在操作期間顯著地增加，因此裝置的電阻增加，藉此減少發射的電流並且引入進一步減低壽命的二次退化機制。
為了延長場發射尖端的壽命，已經探索使用諸如氧化層的硬塗層。可以使用的供選擇硬塗層是金剛石。然而，此種塗層遭受與基體導電金屬匹配差的熱膨脹係數。緩解該問題的另一種方式是藉由將電場強化結構完全嵌入介電材料內，該材料仍然可以維持用於自由電子的高電子遷移率。其中一個例子是用電子發射極嵌入其中的金剛石層替代真空，如M.W.Geis等人的「金 剛石發射極製造及理論」，J.Vac.Sci.Technol.,B14(3),May/Jun 1996所揭示。Geis等人敘述之配置使用置換的氮作為金剛石層中的n型摻雜劑，其增強了電子發射極之尖端附近的電場。然而，此配置遭受的缺點在於，在離電子發射極尖端的金屬-金剛石介面更遠處的金剛石基板，其中的n型摻雜物抑制了電子穿過金剛石基板的傳導。
在EP 2605282中揭示另一種已知的裝置，該裝置使用單極結構，致使金剛石的材料特性得以開發，並且實際上用金剛石替代上述的真空。然而，此配置遭受的缺點在於，其性能受到可使用金剛石中的氮及相關的高活化能而達成低n型摻雜劑密度之限制。
US 2014/0145210 A1揭示一種半導體裝置，其包含複數個半導體金剛石層及溝槽結構。
EP 2605282 A2揭示一種電開關裝置，其包含金剛石基板及延伸入該基板的導電發射極。
本發明的較佳實施例試圖克服先前技術的一個或多個上述缺點。
根據本發明的一個態樣，提供一種電氣裝置，包含：一金剛石材料基板；至少一個長狀的第一導電部分，各自延伸入該基板的一凹部中；及至少一個摻雜半導體區域，配置在該至少一個各自 的第一導電部分及該基板之間，且適於當施加一電場時，在該第一導電部分及該基板之間表現為n型半導體材料，適合於在該半導體區域內產生正空間電荷區域。
藉由提供至少一個摻雜半導體區域，其配置在該至少一個各自的第一導電部分及該基板之間，且適於當在該導電部與該基板間施加電場時，在該導電部分及該基板之間表現為n型半導體材料，適合於在該半導體區域內產生正空間電荷區域，此提供了藉由在該導電部分周圍產生高度界定的正空間電荷區域來增強與該導電部分之介面的局部電場的優點，該正空間電荷區域大幅地改善效能，藉由該區域，電子從該導電介質轉移入該金剛石基板中，藉此致使更大的電流傳導。本發明具有進一步的優點，藉由使該半導體區域足夠薄，由引入摻雜劑導致的晶格應力相對較小，因而得以更廣泛選擇摻雜劑材料。再者，藉由在該金剛石基板及該導電部分之間提供一單獨的半導體區域，提供下述優點：該金剛石基板可以保持未摻雜，因此可以使摻雜的金剛石對電子傳導的抑製效應被最小化。
該至少一個半導體區域可以包括金剛石。
該至少一個半導體區域可以包括至少一種施體摻雜劑，以對該區域賦予n型半導體特性。
該至少一個半導體區域可以包括複數種摻雜劑材料，以對該區域賦予n型半導體特性。
此提供了提供更廣泛的能量位階選擇之優點。
該至少一種摻雜劑可以是I族元素。
該至少一種摻雜劑可以是V族元素。
該至少一種摻雜劑可以是VI族元素。
該至少一個第一導電部分可以適於局部地增強該電場。
該至少一個第一導電部分可以包括至少一種金屬，其與該半導體區域形成肖特基接面。
該裝置可以更包含連接至該至少一個第一導電部分的至少一個第二導電部分。
此提供了能夠對待被選擇的材料進行適當的導電追蹤之優點。
該裝置可以更包含至少一種第一終止材料，其終止該至少一個半導體區域之至少一部分的表面，以對其賦予正電子親和力。
該至少一種第一終止材料可以包含氧。
該至少一種第一終止材料可以包含氟。
根據本發明的另一態樣，提供一種形成一電氣裝置的方法，該方法包含：在一金剛石材料基板中形成至少一個凹部；在該至少一個凹部中形成至少一個摻雜半導體區域；及在該至少一個凹部中形成至少一個長狀的第一導電部分，其中該至少一個半導體區域係配置在該至少一個第一導電部分及該基板之間，且適於當在該導電部與該基板間施加電場時，在該第一導電部分及該基板之間表 現為n型半導體材料，適合於在該半導體區域內產生正空間電荷區域。
該至少一個半導體區域可以包括金剛石。
該至少一個半導體區域可以包括至少一種施體摻雜劑，以對該區域賦予n型半導體特性。
該至少一個半導體區域可以包括複數種摻雜劑材料，以對該區域賦予n型半導體特性。
該至少一種摻雜劑可以是I族元素。
該至少一種摻雜劑可以是V族元素。
該至少一種摻雜劑可以是VI族元素。
該至少一個第一導電部分可以適於局部地增強該電場。
該方法可以更包含將至少一個第二導電部分施加至該至少一個第一導電部分。
該方法可以更包含終止該至少一個半導體區域之至少一部分的表面，以對其賦予正電子親和力。
在一金剛石材料基板中形成至少一個凹部的該步驟，可以包含在該基板的一表面上配置至少一種催化材料，致使該催化材料將與其接觸的金剛石轉換成非金剛石碳材料，以及致使該催化材料滲透該基板。
2‧‧‧電開關裝置
4‧‧‧金剛石基板
6‧‧‧凹部
8‧‧‧側壁
10‧‧‧上表面
12‧‧‧傾斜遠側表面
14‧‧‧半導體層
16‧‧‧表面
18‧‧‧導電突起
20‧‧‧金屬層
22‧‧‧金屬層
現在將參照附圖僅以示例的方式而不是以任何限制性意義來敘述本發明的較佳實施例，其中：第1圖是體現本發明之電氣裝置的示意性橫剖面圖； 第2圖是第1圖之裝置的嵌入式場發射極層結構的放大圖；第3圖係顯示第2圖的層結構之操作；第4圖是導電部分的形狀對電場增強因子之影響的示意圖；第5圖係顯示摻雜劑濃度對第1圖之裝置的半導體層中的平均電場之影響；第6圖係顯示摻雜劑濃度對第2圖之層結構中的穿隧電流密度之影響；及第7圖係顯示摻雜劑濃度對第2圖之層結構的金剛石基板中的德拜(Debye)長度之影響。
參考第1圖，二極體類型的電開關裝置2具有金剛石基板4，在該基板的表面中，藉由產生具有低曲率半徑的點之蝕刻製程而形成凹部6，例如如EP 2605282所闡釋者。凹部6較佳係為長形狀的，且較佳地具有大致垂直於基板4之上表面10的側壁8，且進一步減小曲率半徑外形的傾斜遠側表面12。凹部6的此形狀顯著地有助於增強在完成的裝置2中之電場，如以下將進一步詳細敘述的。
在以金剛石材料形成的半導體層14，其n型半導體區域係形成在金剛石基板4上，且具體地形成在凹部6之遠側表面12上，該n型半導體區域摻雜有諸如氮或磷之類的V族元素或者硫之類的適合添加劑。半導體層14可以做得足夠薄，使得對半導體層14添加摻雜 劑不會在金剛石半導體層14中導致顯著的晶格應力。半導體層14中面離基板4的表面16被改質以對半導體層14賦予正電子親和力。此可以藉由金剛石半導體層14之表面16的氧終止來達成，例如藉由在非常重度氧化的溶液中處理表面16，諸如濃硫酸及過氧化氫的混合物在100℃以上至少30分鐘、在含有惰性氣體及氧的電漿腔室中處理、或者將金剛石層14在低壓氧環境中加熱至400℃達30分鐘、或者是上述步驟的任意組合。供選擇地，該表面可以使用氟來終止。
凹部6填充有成為長狀金屬突起18之形式的第一導電材料。突起18係由與金剛石接觸時呈現肖特基效應的金屬形成，例如金、鉑、釕或銀，但是通常包括在退火時不會與金剛石自然形成碳化物的任何金屬。金剛石半導體層14的表面終端16致使導電金屬突起18與半導體金剛石層14之間的障壁高度減低，藉此改善電子可以穿隧到塊狀金剛石基板4的導電帶中之效率。成另一金屬層20形式的第二導電材料施加至導電金屬突起18，以提供附加的電流承載容量並且有利於裝置封裝之接點更容易的接合。將適當金屬的電極22施加至與金屬突起18相對的基板4表面。
現在將敘述第1圖及第2圖中所示的裝置2之操作。
當在由導電突起18及金屬層20所形成的陰極以及由金剛石基板4之相對表面上的金屬層22所形成的陽極之間施加電壓時，在金屬突起18中的電場在突起 18的遠側端是最強的。n型金剛石半導體層14從層14中的摻雜劑材料失去多餘的電子，藉此變得空乏並且在金屬突起18的遠側端周圍產生正空間電荷區域，如第3圖所示。此顯著地增強了局部電場，使得可以滿足福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim)量子力學穿隧的條件。藉由使用n型金剛石，半導體層14與金剛石基板4完全地熱相容及電相容，且熟習此技藝之人士將會理解，可以使用除金剛石之外的材料來產生空乏效應。電子從金屬突起18的遠側端發射，並且由半導體層14產生的增強電場提供足夠的位能，以使加速電子穿過帶正電荷的半導體層14進入金剛石基板4。
半導體層可以足夠小的厚度(典型地在20nm的範圍中)製成，使得層14不會產生晶格應力，藉此能夠使用諸如氮及磷的元素作為摻雜劑。如第3圖所示，當在所示方向上將電場施加至第2圖的結構上時，半導體層14失去過量電子進入塊狀金剛石基板4，且此過程係由金屬突起18之長狀結構產生的高電場而增強。因為電子接近於金剛石的導電帶，此過程所需之電壓比需要使電子從金屬突起18直接地移動至金剛石基板4所需要的電壓小。因此，半導體層14變得電子空乏並且變得高度正空間電荷，如此導致穿過半導體層14的電場超過大約107Vmm-1場條件，激發從金屬突起18及半導體層14的接面之福勒-諾德海姆穿隧所需之場條件。在此條件下，導致金屬突起18將電子注入以中性化正空間電荷，但是因為半導體層14非常薄，電子直接穿過半導體層 14進入金剛石基板4而沒有顯著地中性化空間電荷。藉由適當地選擇半導體層14的厚度，可以確保局部電場足夠集中，以滿足穿隧發射的107Vmm-1標準，但是電場也快速地減小，使得所發射的電子未被加速至電子與塊狀金剛石4之晶格中的碳原子非彈性地碰撞的程度，因為加速的電子可能導致原子變成離子化，進而可能導致雪崩過程且雪崩過程可能破壞裝置2。
第4圖係顯示導電金屬突起18的形狀對電場增強之影響。相對於所預期的均勻場的電場增強位準(稱為β因子)係與其基體在平面以上的突起高度及其直徑之比相關，當然幾何形狀也具有影響。如第4圖(e)所示，第1圖所示的突起18之形狀對電場的影響顯著增強。
第5圖係顯示半導體層14中的摻雜劑濃度對電場增強之影響。摻雜劑濃度的位準對放大金屬突起18周圍的電場以及從每個突起18發射的電流都有影響。半導體層14中的摻雜劑位準也對從每個突起18之尖端的電子發射之電流密度有影響。此在第6圖中顯示。
半導體層14的厚度也對裝置2的有效性產生影響。在突起18的尖端之發射點所形成的空乏層內產生的高電場，超過基體金剛石材料的絕緣強度。為了防止發射的電子獲得如此多的能量以致於它們可能引發材料的雪崩效應或介電質失效，需要限制層厚度，以便在傳輸期間賦予電子的能量不足以將它們加速至會導致此影響之速度。此係以德拜長度來表示，其自身藉由半導體層14中的摻雜劑濃度來判定，如第5圖所示。在此情況 下，摻雜劑濃度位準應該超過1018個原子/cm3，並且較佳超過1020個原子/cm3以使電場增強最大化。此表明半導體層14在1-10德拜長度的區域中之厚度。
熟習此技藝之人士將會理解，上述實施例僅以示例的方式來敘述，且不具有任何限制性意義，並且可以在不悖離由所附請求項限定的本發明範圍之情況下進行各種改變及修改。例如，用於本發明的金剛石基板4可以由單晶金剛石製成，但是上述本發明的原理也可以應用於奈米晶體金剛石。在後者之情況下，電洞的形狀更可能是長狀圓柱體。
Claims (24)
- 一種電氣裝置，包含：一金剛石材料基板；至少一個長狀的第一導電部分，各自延伸入該基板的一凹部中；及至少一個摻雜半導體區域，配置在至少一個各自的第一導電部分及該基板之間，且適於當施加一電場時，在該第一導電部分及該基板之間表現為一n型半導體材料，適合於在該半導體區域內產生一正空間電荷區域，其中至少一個凹部更包含至少一個傾斜的遠側表面用以定義一點，其中至少一個摻雜半導體區域係配置在一各自的傾斜遠側表面上。
- 如請求項1之裝置，其中該至少一個半導體區域包括金剛石。
- 如請求項1或2之裝置，其中該至少一個半導體區域包括至少一種施體摻雜劑，以對該區域賦予n型半導體特性。
- 如請求項3之裝置，其中該至少一個半導體區域包括複數種摻雜劑材料，以對該區域賦予n型半導體特性。
- 如請求項3或4之裝置，其中該至少一種摻雜劑是I族元素。
- 如請求項3至5中任一項之裝置，其中該至少一種摻雜劑是V族元素。
- 如請求項3至6中任一項之裝置，其中該至少一種摻 雜劑是VI族元素。
- 如請求項1至7中任一項之裝置，其中該至少一個第一導電部分適於局部地增強該電場。
- 如請求項1至8中任一項之裝置，其中該至少一個第一導電部分包括至少一種金屬，與該半導體區域形成一肖特基接觸。
- 如請求項1至9中任一項之裝置，更包含連接至該至少一個第一導電部分的至少一個第二導電部分。
- 如請求項1至10中任一項之裝置，更包含至少一種第一終止材料，終止該至少一個半導體區域之一表面的至少一部分，以對其賦予正電子親和力。
- 如請求項11之裝置，其中該至少一種第一終止材料包含氧。
- 如請求項11或12之裝置，其中該至少一種第一終止材料包含氟。
- 一種形成電氣裝置的方法，該方法包含：在一金剛石材料基板中形成至少一個凹部；在該至少一個凹部中形成至少一個摻雜半導體區域；及在該至少一個凹部中形成至少一個長狀的第一導電部分，其中該至少一個半導體區域係配置在該至少一個第一導電部分及該基板之間，且適於當施加電場時，在該第一導電部分及該基板之間表現為n型半導體材料，適合於在該半導體區域內產生正空間電荷區域， 其中形成至少一個凹部更包含形成至少一個傾斜遠側表面用以定義一點，其中至少一個摻雜半導體區域係配置在一各自的傾斜遠側表面上。
- 如請求項14之方法，其中該至少一個半導體區域包括金剛石。
- 如請求項14或15之方法，其中該至少一個半導體區域包括至少一種施體摻雜劑，以對該區域賦予n型半導體特性。
- 如請求項16之方法，其中該至少一個半導體區域包括複數種摻雜劑材料，以對該區域賦予n型半導體特性。
- 如請求項16或17之方法，其中該至少一種摻雜劑是I族元素。
- 如請求項16至18中任一項之方法，其中該至少一種摻雜劑是V族元素。
- 如請求項16至19中任一項之方法，其中該至少一種摻雜劑是VI族元素。
- 如請求項14至20中任一項之方法，其中該至少一個第一導電部分適於局部地增強該電場。
- 如請求項14至21中任一項之方法，更包含將至少一個第二導電部分施加至該至少一個第一導電部分。
- 如請求項14至22中任一項之方法，更包含終止該至少一個半導體區域至少部分表面，以對其賦予正電子親和力。
- 如請求項14至23中任一項之方法，其中在金剛石材 料基板中形成至少一個凹部的該步驟，包含在該基板的表面上配置至少一種催化材料，致使該催化材料將與其接觸的金剛石轉換成非金剛石碳材料，以及致使該催化材料滲透該基板。
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