TWI466180B - 電切換裝置與於鑽石基板中嵌入觸媒材料之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於電切換及放大裝置，特別係關於但不限於使用在高功率應用的電切換裝置。本發明亦關於在鑽石基板中嵌入觸媒材料之方法。
如同熟習本項技術者所熟知，當使用矽作為用於高功率及極端環境下的切換及放大應用的基本電子材料時，會有諸多限制。舉例來說，矽為人所知者係具有約8kV的反向崩潰電壓，這是基於on-狀態損失與可使用切換速度的可接受程度而言。這意味著，為了要在多種終端使用之應用上達到重要的電壓及/或電流位準，需要配備複數個分離的裝置(其為串聯或並聯組合)，其交互地需要其他的電子元件以確保裝置之間的負荷保持平衡，因此可能具有操作之複雜性。
鑽石對這個問題提供了可能的解決方法，這是因為其熱性質、介電性質及載體遷移性質一般皆較任何其他的電子材料高過許多所致。由鑽石所構成的裝置因此可藉由減少亟待實現此應用之分離裝置的數量而能提供可顯著減少複雜性的可能。
在大部分的半導體裝置中，電子功能係藉由透過選擇性地引入外來元素至結晶結構(亦稱為摻雜物)以調質基本材料的電子性質而達成。在鑽石的例子中，摻雜物的選擇會被晶格的相對小尺寸所限制，其結果是會對鑽石結晶結構產生最少干擾的二種摻雜物為硼(p-型)與氮(n-型)。當摻
雜硼的鑽石為一相當有效的p-型半導體時，還未發現有效的n-型摻雜物。問題在於，二種摻雜種類係為分別具有0.7eV與4.5eV活化能量的深層施體，其可導致對於加熱以協助電荷載體之釋放藉以有效實現裝置操作的需求增加。
然而，加熱的過程亦會導致載體遷移值與電場崩潰力量的減少，因此而危害鑽石之所以適合於高功率切換之製作的二種關鍵性質。這是因為以這種方式製作的該等裝置不會利用鑽石身為一種電子材料的固有物理性質。
已存的裝置總是可在Off-狀態中阻擋的電壓與可在on-狀態中通過的電流做取捨。更進一步為了要在非鑽石材料中得到最高的電壓與功率，裝置中通常需要一種雙極性結構。由於實際上增加接面尺寸以增加裝置的切換電壓，因此，必須中和以關閉裝置的電荷量也會增加，其會交互地危害裝置的切換頻率。
本發明的較佳實施例係藉由使用一種雙極性結構，使得鑽石的全材料潛能能夠使用於功率裝置，藉以克服前述技術的上述缺點。本發明使用關於鑽石的數種已知現象。亦即：彈道電子可利用極少的損耗而行經本質性鑽石中的數百微米；已摻雜的鑽石可被用來控制由單種電漿所造成的空間電荷集結；以及電子可直接從被嵌入一鑽石基板的一尖銳導電突部而被射入鑽石。本發明因此欲使用被嵌入鑽石基板的操控電子發射器結構，其交互地將僅在存在一適合直流偏壓的情況下才能導電，並且欲使用鑽石的電子傳送性質以實現材料的導電性。
根據本發明一觀點，其提供一種電切換裝置，包括：一基板，包括至少一鑽石層；至少一第一電極，與該基板相接觸，其中至少一該第一電極包括至少一延伸進該基板的導電突部；及至少一第二電極，與該基板相接觸且與該第一電極或各該第一電極相間隔。
這所提供的優點為，藉由適當的導電突部的設置，會在鑽石材料內產生電場增強電子發射。如此可交互地讓裝置相較傳統含有鑽石的電切換裝置於較低的溫度下操作，並且讓裝置具有較佳的on-狀態導電率與off-狀態電流阻擋性質。
該基板可包括在鄰接至少一該突部的至少一末端處包括鑽石材料，鑽石材料包括第一雜質，用以調質鄰接該末端之該鑽石材料之電特性。
這所提供的優點為，可減少在導電突部與該鑽石層之間的位能障礙，其可交互地減少啟動該裝置所需的電能。
該第一雜質係用以提供具n型電特性之該材料。
這所提供的優點為，可引入自由電子，以增強該裝置在其on-狀態下的導電性。
該基板在鄰接至少一該第二電極處包括鑽石材料，該鑽石材料包括第二雜質，用以調質鄰接該第二電極之該鑽石材料之電特性。
這所提供的優點為，可減少在該基板材料內所形成之空間電荷集結的影響，其將限制該裝置之on-狀態下的電流量。
該第二雜質提供該鑽石材料以p型電特性。
該裝置更包括至少一第三電極，其係配置於該基板中，且與該第一電極或各該第一電極相間隔、以及與該第二電極或各該第二電極相間隔。
這所提供的優點為，可在該等突部的附近形成電場，因此在on-狀態之該電流由施加一適當電壓偏壓至該第三電極所控制。
至少一個該第三電極可定義出鄰接至少一個該突部的至少一個別孔洞。
這所提供的優點為，可更進一步地控制在該等突部附近的電場。
至少一個該第三電極係配置於一層本質鑽石材料中。
這所提供的優點為，可減少由該第三電極到該第一或電二電極的漏電流，其可交互地改善該裝置的性能。
至少一個該第三電極包括非鑽石碳，其係使用一佈植技術經由該鑽石材料之選擇性區域的轉換而形成。
這所提供的優點為，藉由最小化對於所埋入金屬層的需要，可以簡化該裝置的製造。
至少一個該第三電極包括鑽石材料，其包含雜質，用以增加該材料的電導電率。
這所提供的優點為，藉由使用半導體鑽石的高遷移性質以避免必須石墨化鑽石，且可利用單向磊晶以取代佈植。
該裝置更包括複數個分離的該第二電極。
這所提供的優點為，可構成裝置，藉由施加一適當偏壓電壓信號至該第三電極，可控制在複數個第二電極之間
的電流，因此而達成放大效果。
根據本發明另一觀點，提供一種調質包括至少一層鑽石材料之基板的方法，該方法包括：沉積至少一種催化材料於該基板之鑽石材料的至少預定區域上；使至少部分與該催化性材料相接觸的至少部分該鑽石材料被轉換為非鑽石碳；及使至少部分該催化性材料穿透該基板。
這所提供的優點為，可在基板上產生小直徑的長孔。此可交互地使得待製造的電切換裝置具有高深寬比的導電突部，此可交互地製造出高性能的裝置。
該方法更包括：使在該鑽石材料之該預定區域上的該催化性材料形成多個催化性材料的分離區域。
這所提供的優點為，可以一高度地局部化方式使該催化性材料在該基板上被圖案化。
使至少一該催化性材料形成複數個分離區域的步驟包括：在包含至少一還原成份之至少一電漿放電存在的情況下加熱該材料。
可使藉由加熱而將與至少部分該催化性材料相接觸的至少部分該鑽石材料轉變成非鑽石碳。
該方法更包括：於沉積該催化性材料於該基板之一表面上之前，調質至少部分該基板之一表面，以利用該基板減少該催化性材料的活性。
這提供的優點為，可使得該催化性材料與該鑽石基板的反應被控制，其可交互地改善製程。
該方法更包括：形成至少一個非鑽石碳區域，損害該基板之表面上的鑽石材料。
這所提供的優點為，可利用協助該催化性材料與該基板之反應的局部化，其可交互地改善製程的精確度。
藉由微影製程而圖案化至少一種該催化性材料。
藉由加熱該基板至足夠開始鑽石的催化分解的溫度及施加適當的均勻偏壓磁場及/或電場，使得至少部分的該催化性材料滲入該基板。
這所提供的優點為，可以確保催化性作用，並且可以經由該催化性材料與外部電及/或磁場的交互作用而給予該催化性材料方向性運動。
藉由至少一電漿放電而使至少部分該催化性材料滲入該基板。
這所提供的優點為，藉由施加一適當dc偏壓至該電漿放電，可以將電荷給予該催化性材料，以確保與外加電場及/或磁場的交互作用，引導該催化性材料滲入該基板內。
該方法更包括：藉由使用已為人知可與非鑽石碳產生反應的氣體種類的至少一電漿放電而移除非鑽石碳，其中該等氣體種類可選擇地被用作基本電漿而將電荷給予該催化性材料。
這所提供的優點為，可減少生產步驟的數量。
該方法更包括：使用諸如一射頻或微波頻率供應的一交流電源而調制至少一種該電漿放電。
這所提供的優點為，可減少對該鑽石材料的離子撞擊損害，但將增進非鑽石碳的反應式移除。
根據本發明另一觀點，提供一種製造一電切換裝置的方法，該方法包括：藉由如上述所定義之方法，於基板內形成至少一個孔洞；形成與該基板相接觸的至少一個第一電極；及形成與該基板相接觸且與該第一電極或各該第一電極相間隔的至少一個第二電極。
藉由參照以下所附圖式，本發明多個較佳的實施例將予以詳細說明，這些圖式僅作為範例，並非作為限定用。
請參閱第1A圖，一鑽石基板2被拋光至高平坦度，且使用熟習該項技術者所熟知的技術予以處理以在基板2上形成氧化、氫化、鹵化或羥基化支持表面。這個過程可包含一高頻輝光放電(未顯示)。接著，藉由蒸鍍或濺鍍製程沉積諸如鐵、鈷、鎳或鉑的催化性金屬8以形成2至50nm的厚度的一均勻層於基板2已經處理的表面上，接著沉積適當材料的遮罩3於催化性金屬8上。請參閱第1B圖，使用一微影製程選擇性地移除遮罩3以留下所需圖案31，並且曝光催化性金屬8的剩餘區域。
接著，藉由一化學蝕刻製程移除未被遮罩3所覆蓋的催化性金屬8，以提供如第1C圖所示的催化性材料之分離區域81。
替代方案為，在第1A圖至第1C圖之步驟可以顛倒，以直接沉積遮罩3於基板2上，並在催化性金屬8的沉積之前，以微影製程製成所需圖案，以製成分離區域81。
接著移除剩餘的遮罩31，如第1D圖所示。同時，如第1E圖所示，在真空環境下或是在電極4與5之間利用撞擊所產生的ac調變電漿放電12(包含一富含氫的氣體，諸如壓力為1~10mbar的阿摩尼亞)，而在500℃或更高溫度下退火被覆蓋之基板2。這可使得催化性金屬的分離區域81形成高度局部化的小珠或球體82，如第1F圖所示。
請參閱第1G圖，當完成退火製程時，將基板2加熱至600℃或更高的溫度，及同時藉由施加至電極41的DC電源供應7而施加具有400V或以上之偏壓電壓的均勻電場，使其相對於位在基板2之相反表面上的一電極51形成正偏壓。在這些情況下，催化性粒子82可使得與粒子82相接觸之基板2的鑽石被轉換成非鑽石碳，諸如石墨或是非結晶碳。
藉由在壓力為1~10mbar引入諸如阿摩尼亞等的一富含氫的氣體，將可在電極41與基板2之間撞擊產生電漿放電13。電漿放電13可使得催化性粒子82因為其小尺寸而獲得一電荷，並且DC供應7的偏壓電壓可使得催化性粒子82在朝向電極51的方向上移動，亦即，進入基板2並留下非鑽石碳的軌跡。藉由確定跨於電極41與51之間的電漿放電之電壓降超過400V，非鑽石碳的軌跡(未顯示)將會是圓柱形並且根據場方向而定向。藉由引入額外氣體的放電13可以進一步地增進這個作用的功效(該額外氣體係為熟習本項技術者所熟知且可優先與非鑽石碳產生反應)，並藉此而蝕刻由催化性粒子82之作用所產生的非鑽石碳以產生小直徑的孔洞20者。另外，也可引入一射頻頻率電源供
應22以調質該放電13，此舉可進一步增進蝕刻催化性粒子82上方的石墨之製程，以藉由放電13而移除該石墨。當產生了所需深度的孔洞20時，便可冷卻基板2，因此而停止粒子82的催化性行為，並且形成第1H圖所示的調質後之基板24。
接著藉由一適當的酸來清洗改質後之基板24，而從孔洞20的基底移除催化性粒子82，然後更可選擇性地藉由諸如熔融硝酸鈉等化合物對其進行處理以移除任何殘餘非結晶碳或石墨碳。接著，在基板24的非蝕刻表面上成長另一層鑽石14，以達到所需電及/或機械特性，如第1I圖所示。
現在請參閱第2圖，使用一如第1I圖所示之本質或摻雜氮的鑽石基板24而形成二極體型電切換裝置30。在基板24中的孔洞20內填入一適當導電金屬，以形成與一主要陰極34相接觸的一金屬微形射極結構32。替代方案為，在各步驟中可於孔洞20內沉積一種以上的金屬，以便使金屬/鑽石界面在本質上具有歐姆性、或是藉此減少金屬與鑽石之間的工作函數，特別是孔洞20的附近。在沉積這些金屬之前，可利用氧氣及/或氫氣高頻放電(未顯示)對孔洞20與基板24預處理，以助益於進一步減少在金屬32與基板24之間的潛在阻擋。設置另一平面電極36於鑽石基板24的相反平面上，該平面電極36與射極32的端點係被本質或低硼摻雜均相磊晶之鑽石或其他摻雜物之層14相隔離，藉以將電子受體位置引入層14內。當施加一電壓於電極34、36之間，使得上電極36的電位大於下電極34的電位、並且使得電壓具有足夠大小之時，可以使得射極22之端點
且使得電壓具有足夠大小之時，可以使得射極32之端點的局部電場足夠讓電子發射進入鑽石層24與之後的層14，在電極34、36之間產生導電。另一方面，如果電源供應38的偏壓相反而使得下電極34的電位大於上電極36的電位，電子的發射便會大幅減少，這是因為平面電子發射電極36的表面曲率遠小於射極32的末端端點上的曲率所致。
本發明第二實施例的裝置130顯示於第3A圖中，其中與第2圖的實施例相同的元件係標示相同的符號，但增加了符號100。在第2圖顯示的二極體裝置30的順向與反向偏壓特性，主要由絕緣層14的厚度而決定。由於維持電子發射所需的電場之尺寸會造成跨越第2圖之裝置的大電壓降的產生，因此這會限制該裝置作為整流器時的性能。然而，在第3A圖的實施例係藉由利用建立在一閘電極140與射極132之間的電場控制電子的發射使其進入基板124而減輕了這個問題。閘電極140的製作方法為，首先在第1I圖的階段中於基板124上成長額外的本質鑽石中間層126，對基板124施加遮罩佈植製程，如以使用高能量離子束對該鑽石層的子表面進行處理，藉以在成長額外的鑽石層114之前於鑽石中產生一導電層。如第3B圖所示，將該導電層圖案化，成各孔洞127圍繞於各射極132之頂端(其排列如圖中的十字所示)藉此在各射極132之頂端的上方產生一大概均勻環狀電場。上電極136與下電極134之間的電流一般將與施加在閘電極140及射極132之間的電壓成比例。
本發明第三實施例的裝置230顯示於第4圖中，其中與第3A圖與第3B圖的實施例相同的元件係標示相同的符號，但增加了符號100。在第1I圖所示的階段中，於所處理鑽石層226上成長或佈植一重氮摻雜或其他n型摻雜之層246，如第二實施例所述。接著於n型層246頂面上成長最後一層本質或p型鑽石層214。n型層246的目的在於擴散來自點源(其係由射極232的頂端所形成)的電子發射，如此，最佳地使用了可用的大量鑽石。當該裝置反向偏壓時，n型層246亦協助篩選射極頂端232與閘極240。
本發明第四實施例的裝置330顯示於第5圖中，其中與第4圖的實施例相同的元件係標示相同的符號，但增加了符號100。第4圖的上電極236由兩個分離的金屬電極350、352所取代，且選擇性地成長或沉積另一絕緣層354於基板324上以部分地或完全地覆蓋住電極350、352與電極之間的空間。如果單獨施加電壓於電極350、352之間，便沒有電流。然而，如果施加獨立的偏壓於閘電極340與射極332，藉此將電子射入額外的鑽石層314，電極350、352之間的傳導便會因為電子從射極332發射出來所產生的載子之可利用性而形成。在電極之間電流的大小係取決於射入鑽石層314之電子的數量，其一般係與施加在閘電極340與下電極334之間的偏壓成比例。
本發明另一實施例顯示於第6圖中，其包含了本發明第三與第四實施例的特徵，其中與第4、5圖的實施例相同的元件係標示相同的符號，但增加了符號100。裝置430包括一n型層346與p型層414，其類似於第4圖的配置。
n型層346的存在可協助維持電子射入鑽石層414時的均勻密度，並可阻擋進入射電極432與閘電極440的漏電流。
本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。舉例來說，本發明的基板24的使用目的並不限於用來作為切換電切換裝置，其也可用來作為細網格過濾器或是光學波導。
2‧‧‧基板
3‧‧‧遮罩
4‧‧‧電極
5‧‧‧電極
7‧‧‧電源供應
8‧‧‧催化性金屬
12‧‧‧電漿放電
13‧‧‧電漿放電
14‧‧‧鑽石層
20‧‧‧孔洞
22‧‧‧電源供應
24‧‧‧基板
30‧‧‧電切換裝置
31‧‧‧圖案
32‧‧‧微形射極結構
34‧‧‧陰極
36‧‧‧平面電極
38‧‧‧直流電源供應
41‧‧‧電極
51‧‧‧電極
61‧‧‧交流
81‧‧‧分離區域
82‧‧‧催化性粒子
114‧‧‧鑽石層
124‧‧‧基板
126‧‧‧本質鑽石層
127‧‧‧孔洞
130‧‧‧電切換裝置
132‧‧‧射極
134‧‧‧下電極
136‧‧‧上電極
138‧‧‧直流電源供應
140‧‧‧閘電極
214‧‧‧鑽石層
224‧‧‧基板
226‧‧‧鑽石層
230‧‧‧電切換裝置
232‧‧‧射極頂端
234‧‧‧下電極
236‧‧‧上電極
238‧‧‧直流電源供應
240‧‧‧閘
246‧‧‧鑽石層
314‧‧‧鑽石層
324‧‧‧基板
326‧‧‧鑽石層
330‧‧‧電切換裝置
332‧‧‧射極
334‧‧‧下電極
340‧‧‧閘電極
346‧‧‧鑽石層
350‧‧‧金屬電極
352‧‧‧金屬電極
354‧‧‧絕緣層
414‧‧‧鑽石層
424‧‧‧基板
426‧‧‧鑽石層
432‧‧‧射極電極
434‧‧‧下電極
440‧‧‧閘極電極
450‧‧‧金屬電極
452‧‧‧金屬電極
454‧‧‧絕緣層
第1A至1I圖顯示體現本發明之製造方法的步驟；第2圖為本發明第一實施例之電切換裝置的剖面圖；第3A圖為對應第2圖之本發明第二實施例之裝置的圖示；第3B圖為第3A圖之裝置的控制電極的平面圖；第4圖為對應第2圖之本發明第三實施例之裝置的圖示；第5圖為對應第2圖之本發明第四實施例之裝置的圖示；及第6圖為對應第2圖之本發明第五實施例之裝置的圖示，該裝置包含第三與第四實施例的特徵。
14‧‧‧鑽石層
24‧‧‧基板
32‧‧‧微形射極結構
34‧‧‧陰極
36‧‧‧平面電極
38‧‧‧直流電源供應
Claims (11)
- 一種電切換裝置，包括：一基板，包括至少一層鑽石層；至少一個第一電極，與該基板相接觸，其中至少一個該第一電極包括至少一個延伸進入該基板的導電突部；及至少一個第二電極，與該基板相接觸且與該第一電極或各該第一電極相間隔，其中使至少一個該突部適合發射多個電子穿透該基板而到達至少一個該第二電極。
- 如申請專利範圍第1項之電切換裝置，其中該基板包括在鄰接至少一個該突部的至少一末端處的鑽石材料，該鑽石材料包括第一雜質，用以調質鄰接該末端之該鑽石材料之電特性。
- 如申請專利範圍第2項之電切換裝置，其中該第一雜質係用以提供該材料具n型電特性。
- 如申請專利範圍第1項之電切換裝置，其中該基板包括在鄰接至少一個該第二電極處的鑽石材料，該鑽石材料包括第二雜質，用以調質鄰接該第二電極之該鑽石材料之電特性。
- 如申請專利範圍第4項之電切換裝置，其中該第二雜質係用以提供該鑽石材料具p型電特性。
- 如申請專利範圍第1項之電切換裝置，其中更包括至少一個第三電極，配置於該基板中，且與該第一電極或各該第一電極相間隔、以及與該第二電極或各該第二電極相間隔。
- 如申請專利範圍第6項之電切換裝置，其中至少一個該 第三電極定義出鄰接至少一個該突部的至少一個別孔洞。
- 如申請專利範圍第6項之電切換裝置，其中至少一個該第三電極係配置於一層本質鑽石材料中。
- 如申請專利範圍第6項之電切換裝置，其中至少一個該第三電極包括非鑽石碳。
- 如申請專利範圍第6項之電切換裝置，其中至少一個該第三電極包括鑽石材料，該鑽石材料包含雜質，用以增加該材料的電導電率。
- 如申請專利範圍第1項之電切換裝置，其中更包括複數個分離的該第二電極。
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