用钻石做芯片，又一重磅公布

2023-12-04

半导体行业观察关注

钻石除了可能是女性最好的朋友，但它也可能是维持社会电气化所需的解决方案，以在未来 30 年实现碳中和。

编者按：本文来自微信公众号半导体行业观察（ID：icbank），作者：IEEE，创业邦经授权发布。

为了在2050年实现世界碳中和的目标，电子材料必须发生根本性的变化，以创建更可靠、更有弹性的电网。钻石除了可能是女性最好的朋友，但它也可能是维持社会电气化所需的解决方案，以在未来30年实现碳中和。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种由金刚石制成的半导体器件，与之前报道的金刚石器件相比，该器件具有最高的击穿电压和最低的漏电流。随着世界向可再生能源过渡，这种设备将实现所需的更高效的技术。

据估计，目前全球50%的电力由功率器件控制，预计不到十年，这一数字将增至80%，同时，电力需求将增加50%。

根据美国国家科学院、工程院和医学院的一份新报告，“也许成功能源转型面临的最大技术危险是国家未能选址、现代化和建设电网的风险。输电能力、可再生能源部署将被推迟，最终结果可能至少是化石燃料排放量暂时增加，从而阻碍国家实现其减排目标。”

“为了满足这些电力需求并使电网现代化，我们必须从传统材料（例如硅）转向我们今天所采用的新材料（例如碳化硅）和下一代半导体（超宽），这一点非常重要带隙材料，例如氮化铝、金刚石和相关化合物，”领导这项研究的电气和计算机工程教授 Can Bayram 和研究生Zhuoran Han说。这项工作的结果发表在《IEEE Electron Device Letters》杂志上。

大多数半导体都是用硅制造的，到目前为止，已经满足了社会的电力需求。但正如Bayram指出的那样，“我们希望确保为每个人提供足够的资源，同时我们的需求也在不断变化。现在，我们使用越来越多的带宽，我们正在创建更多的数据（这也带来了更多的存储空间），我们正在使用更多的电力、更多的电和更多的能源。问题是：有没有一种方法可以让我们变得更加高效，而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂？”

为什么是钻石？

金刚石是一种具有最高导热率的超宽带半导体，导热率是材料传递热量的能力。由于这些特性，与硅等传统半导体材料相比，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散热，而不会导致电气性能下降。

“要拥有一个需要高电流和高电压的电网，从而使太阳能电池板和风力涡轮机等应用变得更加高效，那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地，”Bayram 说。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起，但钻石可以在实验室中更经济、更可持续地制造，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。天然钻石是在地球表面深处在巨大的压力和热量下形成的，但由于它本质上只是碳（碳含量丰富），因此人工合成钻石可以在数周而不是数十亿年的时间内制成，同时产量也减少了100倍碳排放量。

在这项工作中，Bayram 和 Han 展示了他们的金刚石装置可以承受大约5kV的高电压，尽管电压受到测量设置的限制，而不是来自装置本身。理论上，该装置可承受高达9kV的电压。这是金刚石装置报告的最高电压。除了最高的击穿电压外，该器件还表现出最低的漏电流，可以将其视为具有能量的漏水水龙头。漏电流影响器件的整体效率和可靠性。

Han 说：“我们构建了一种更适合未来电网和其他电力应用的高功率、高压应用的电子设备。我们在超宽带隙材料——人造金刚石上构建了该设备，它有望实现更高的效率和更好的性能。” “性能优于当前一代设备。希望我们能够继续优化该设备和其他配置，以便我们能够接近金刚石材料潜力的性能极限。”

以下为论文原文：

具有高击穿电压的金刚石p型横向肖特基势垒二极管（0.01mA/Mm时为 4612V）

介绍

金刚石是一种新兴的高功率电子半导体，具有大带隙（EG，5.47 eV）、大临界电场（EB，10–20 MV/cm）、高载流子迁移率（μ , 高达2100厘米²⋅ V-1⋅ s-1 对于低掺杂浓度 (<1015 cm-3) 和高导热率 (k, 22 - 24W · CM-1⋅K-1 ）。p 型硼掺杂剂相对较低的活化能（0.38 eV，而 n 型磷为 0.57 eV），同时，CVD 生长的硼掺杂金刚石的成熟促使 p 型金刚石肖特基二极管用于研究和高临界领域7.7 MV/cm 和 2.5 kV 的击穿电压已在垂直或伪垂直配置中得到证实。在这些器件中提高击穿电压需要增加漂移层厚度，这对于实验生长来说具有挑战性，并且蚀刻得更深，这会产生加工问题。将金刚石 SBD 缩放到更高电压的一种方法是使用其横向配置，其中击穿电压通过调整阳极和阴极之间的距离来缩放，而不需要厚的漂移层。

在这篇文章中，报道了通过接触再生和边缘终止技术实现的具有高击穿电压 (4612 V) 的金刚石 p 型横向肖特基势垒二极管 (SBD)。使用热电子发射模型和 Mott-Gurney 关系研究正向 IV 特性。使用 Synopsys 的 Sentaurus TCAD 软件在反向偏压下模拟 SBD，以研究场板（Field Plate:FP）结构的影响。仿真预测显示，添加场板后峰值电场会显着降低，这与实验测量的有或没有场板的二极管的击穿性能一致。最后，横向 SBD 在比导通电阻 (R ON ) 和击穿电压 (V br )方面与之前报道的金刚石功率器件进行了基准测试。

器件制造

图1显示了金刚石p型横向SBD的外延（通过微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD））和洁净室微加工工艺流程。

首先，一个2微米_p- 漂移层（[B]< 8 ×1015 cm-3]）生长在3 × 3 mm2 Ib (100) 型高压高温 (HPHT) 的金刚石基材上。使用光学轮廓测定法测量外延层的RMS表面粗糙度为7.5nm。然后，200纳米p+ 钻石（[B]～3 ×1020 cm-3 ]）选择性生长以形成欧姆接触区。通过电子束蒸发 Ti (30 nm)/Pt (30 nm)/Au (100 nm) 形成欧姆金属接触，然后在 Ar 气体环境中在 450 °C 下热退火 50 分钟。欧姆接触的比接触电阻通过 TLM 测量确定，测得为 1.25±0.98 ×10−4Ω -CM²。接下来，通过电子束蒸发沉积300 nm Al2O3场板，然后进行剥离工艺。Al2O3被选为场氧化物，因为它相对于金刚石具有较高的介电常数（对于沉积的Al2O3而言，k=8.63 ± 0.07 ），这降低了电场强度，并且氧终止钻石的能带偏移较大。在肖特基接触沉积之前，暴露的金刚石表面在室温下经过臭氧处理 1.5 小时以获得稳定的氧终止。Mo (50 nm) / Pt (50 nm) / Au (100 nm) 的肖特基金属叠层通过电子束蒸发沉积。Al2O3场板的内半径和外半径分别为40微米和80微米。肖特基接触的半径为60微米，欧姆接触和肖特基接触之间的间隔为d= 80微米。所制作的带有场板的圆形结构金刚石p型横向SBD的俯视显微镜图像如图1(f)所示。

图1：金刚石横向 SBD 的外延和洁净室微加工步骤 (a)p-漂移层外延生长；(b)p+ 接触层选择性生长；(c)欧姆接触沉积；(d)Al2O3场板形成；(e) 肖特基接触沉积；(f) 使用视场板制造的金刚石横向 SBD 的俯视显微镜图像。

结果与讨论

图2(a)显示了在室温下有和没有Al2O3场板的情况下所制造的金刚石p型横向SBD的半对数和线性（插图）JV曲线。没有场板的 SBD 具有相同的肖特基到欧姆距离d=80微米，肖特基接触半径与Al2O3场板的内半径相同。两个二极管在+/-5V范围内均表现出107的整流比。对于带场板和不带场板的SBD，40 V 正向偏置下的线性电流密度分别为0.049 mA/mm和0.044 mA/mm 。SBD 在进行高温和击穿测量之前经过多次重新处理，并在前向JV特性中表现出良好的再现性。对于具有和不具有 FP 的 SBD，四个制造批次之间在40V 正向偏压下的正向电流密度的最大差异分别为 15% 和 6%。零偏压下的肖特基势垒高度 (SBH) 使用热电子发射模型根据前向JV曲线的对数线性区域进行拟合来计算。

如图所示，JS ,A* ,T ,n ,q ,φb ，和kB是反向饱和电流密度，理查森常数（90 A cm−2 K² 对于金刚石），分别是绝对温度、理想因子、基本电荷、SBH 和玻尔兹曼常数。带和不带场板的 SBD 提取的理想因子分别为 4.77 和 3.71。根据四个制造的 SBD 的配件估算的 SBH 为 1.02 ± 0.01 eV。SBH 与先前报道的横向器件中的其他钼金刚石肖特基接触非常一致。

图 2：(a)室温 (RT) 下，带和不带场板 (FP) 的金刚石横向 SBD 的正向J -V 特性，以半对数和（插图）线性标度表示；虚线表示计算出的空间电荷限制传导 (SCLC) J -V 关系。(b) 200 °C 时，带和不带 FP 的金刚石横向 SBD 的正向J -V 特性，采用半对数和（插图）线性标度。

图 2(a)还绘制了在所制造的二极管中计算出的 10 – 40V 正向电压下的空间电荷限制传导 (SCLC) 电流密度。由于掺杂剂在室温下不完全电离，漂移区中的活性空穴浓度估计低于1014cm-3。随着施加的正向偏压增加，随着注入电荷在漂移区累积，电荷中性不再保持，SCLC 开始占主导地位。对于轻掺杂半导体，SCLC 由 Mott-Gurney 关系描述：

如图所示，J ,εr ,ε0 ,μ ,V ，和d 分别是电流密度、相对介电常数、自由空间介电常数、载流子迁移率、漂移区两端的电压和漂移区的长度。计算出的 SCLC 电流与测量数据非常一致。在 200 °C 时，大多数受体被电离，并且带和不带场板的 SBD 在 40 V 正向偏压下的线性电流密度分别显着增加至5.39 mA/mm 和5.09 mA/mm，如图 2(b)所示。

图3显示了有和没有场板的SBD的反向漏电JV特性。在反向测量过程中，将金刚石晶圆浸没在 3M™Fluorinert™电子液体中，以防止空气击穿。当泄漏电流急剧增加到合规极限时，不带场板的横向 SBD 在 1159 V 时击穿50微安。第一次击穿后，反向电流密度在低反向偏压下增加，这证实了泄漏路径的产生。测量后未发现肖特基触点有任何物理损坏。然而，重复的击穿测量表明击穿电压有所下降。带有场板的 SBD 表现出高达 4612 V 的稳定漏电流，这是 Fluorinert™ 电子液体的极限。4612V反向偏压下的漏电流密度小于0.01mA/mm，与击穿前没有场板的SBD相似。相对较高的稳定漏电流可归因于外延生长的漂移层的高表面粗糙度（RMS粗糙度= 7.5 nm），这是由粗抛光和随机生长缺陷引起的。

图 3：带和不带 FP 的金刚石横向 SBD 的室温反向漏电J -V 特性。

图 4显示了沿着虚线切割线的模拟水平电场强度0.1 μm 远离金刚石-肖特基接触界面，用于横向 SBD（带或不带场板），反向偏压为 3 kV。Synopsys Sentaurus TCAD 软件用于研究Al2O3场板的影响。结合了经验迁移率模型、Overstraeten 和 Man 模型的碰撞电离系数、掺杂剂的不完全电离以及由于镜像力导致的肖特基势垒降低。在电场拥挤严重的金属-半导体界面附近的漂移区域检查电场强度。仿真预测，添加 300 nm 厚的Al2O3场板后，肖特基接触边缘附近的峰值电场将减少 56%。

图 4：沿着虚线切割线的模拟水平电场强度0.1微米_远离金刚石-肖特基接触界面，用于在 3 kV 反向偏压下带或不带 FP 的横向 SBD。

图 5显示了特定导通电阻 (R ON ) 与击穿电压 (V br )的基准在室温下。这项工作表现出比先前报道的伪垂直和垂直 SBD、横向 MESFET、MOSFET 和 JEFT 更高的击穿电压。

图 5：所制造的横向 SBD 与之前报道的金刚石功率器件（包括横向 MESFET、MOSFET 和Jet FET，以及室温下的伪垂直和垂直 SBD）进行比较的基准。括号中显示了报告击穿时的漏电流。

具体导通电阻标准化为527Ω-cm²，对于带场板和不带场板的 SBD 为34Ω-cm²，-cm²。R ON值比最先进的伪垂直和垂直 SBD 高 3 到 4 个数量级。鉴于接触电阻较低（1.25±0.98 ×10−4Ω -cm² ) 的欧姆接触，大的 RON可归因于空间电荷限制传导 (SCLC) 和空间电荷区域p- 漂移层与 n 型 Ib 金刚石基板相关，可减少电流传导的有源层厚度。RON可以通过研究漂移层厚度和掺杂来优化。较厚的沟道可以增加线性电流密度，从而降低RON。还可以增加漂移层掺杂浓度以克服 SCLC 并允许更短的漂移层。

结论

总之，报道了带有和不带有Al2O3场板的金刚石 p 型横向 SBD。在室温下，二极管的整流比为107，在40V 正向偏压下，正向电流密度为 0.049（带场板）和 0.044（无场板）mA/mm。具体导通电阻为 534（无场板）和 527（有场板）Ω cm²。在反向偏压下，两个二极管在击穿前的漏电流密度均低于 0.01 mA/mm。Al2O3场板将击穿电压从 1159 V 提高到 4612 V，并且对 IV 行为没有明显影响。使用 Synopsys的 Sentaurus 软件通过 TCAD 模拟研究了Al2O3场板的影响，该软件预测在 3 kV 反向偏压下使用Al2O3场板可使峰值电场强度降低 56% 。

最后，提出了横向 SBD 在比导通电阻与击穿电压方面的基准。击穿电压是迄今为止 p 型金刚石肖特基二极管中最高的击穿电压之一。然而，需要进一步优化漂移层厚度和掺杂浓度，以降低 R ON并更接近金刚石的材料极限。