DE4209161A1 - Diamant-heterodiode - Google Patents
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- H01L29/861—Diodes
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Diamant-Heterodiode zur Verwendung
als Halbleiter-Gleichrichtervorrichtung.
Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hervorragende Wärmebe
ständigkeit und einen großen Bandabstand. Er ist elektrisch isolie
rend, wird aber durch Dotierung halbleitend. Es ist daher zu erwarten,
daß Diamant für Halbleitervorrichtungen zu verwenden ist, die im
Bereich hoher elektrischer Leistung oder hoher Temperatur funktionsfä
hig sind. Durch die inzwischen erreichte Synthese von Diamantfilmen
durch chemisches Aufdampfen (CVD) wurde es nunmehr möglich, mit B
(Bor) dotierte p-halbleitende Diamantfilme und mit Si oder P
(Phosphor) dotierte n-halbleitende Diamantfilme zu züchten.
Es wurden Untersuchungen und Entwicklungsstudien zum Entwickeln von
Halbleitervorrichtungen ausgeführt, in denen derartige halbleitende
Diamantfilme verwendet sind, bspw. zum Entwickeln einer Diamant-Diode
mit pn-Übergang als Gleichrichter. Eine solche Diamant-pn-Übergang-Di
ode, die in der Literatur beschrieben wurde (Iwasaki und andere,
"Abstract of the Spring Meeting of Japan Society of Applied Physics",
30a-ZB-10, S. 388 (1990)), wurde durch Züchten einer mit P dotierten
n-halbleitenden Diamantschicht auf einer mit B dotierten p-halbleiten
den Diamantschicht hergestellt, wodurch der pn-Übergang mit dem
Gleichrichtereffekt gebildet wurde.
Fig. 6 ist eine Energiebanddarstellung für die herkömmliche Diamant-
Diode mit dem pn-Übergang, und zwar (a) ohne Vorspannung (Vorspannung
V = 0), (b) mit einer Durchlaßvorspannung (V < 0), wobei positive
Spannung an die p-halbleitende Diamantschicht P angelegt ist, und (c)
mit Sperrvorspannung (V < 0), wobei an die p-halbleitende Diamant
schicht P negative Spannung angelegt ist, während die n-halbleitende
Diamantschicht N positiv ist. In dieser Figur ist EC die Energie an
dem untersten Rand des Leitbandes, EV die Energie an dem höchsten Rand
des Valenzbandes und EF das Fermi-Niveau.
Gegenwärtig ermöglicht die CVD-Technologie die Synthese eines p-halb
leitenden Diamantfilms mit einem spezifischen Widerstand bis herab auf
ungefähr 10 Ωcm. Es ist jedoch lediglich die Synthese eines n-halblei
tenden Diamantfilms mit einem spezifischen Widerstand in der Größen
ordnung von 104 bis 106 Ωcm möglich, da in den Film die aktiven Fremd
stoffe in nur geringer Konzentration eingebracht werden können. Aus
diesem Grund wird in der herkömmlichen Diamant-Diode mit dem pn-Über
gang die Verarmungszone an der n-halbleitenden Diamantschicht seitens
des pn-Übergangs dick. Infolgedessen ist die Krümmung des Energieban
des an dem pn-Übergang abgestumpft und daher der Gradient des elektri
schen Potentials an dem pn-Übergang nicht steil, wie es in Fig. 6 ge
zeigt ist. Daher wird dann, wenn bei Durchlaßvorspannung die Löcher
aus der p-Schicht in die n-Schicht oder die Elektronen aus der n-
Schicht in die p-Schicht befördert werden, die Übertragungsgeschwin
digkeit gering und es wird die Wegstrecke über den pn-Übergang länger.
Infolgedessen können diese Ladungsträger durch Gitterstörstellen und
Dotierungsatome eingefangen werden, wobei sie durch Rekombination mit
diesen verschwinden, was den Fluß eines ausreichenden elektrischen
Stroms verhindert. Ferner ergeben sich häufig amorphe Schichten und
Defekte an der Grenzfläche des pn-Übergangs, wodurch die Sperrschicht
höhe bei der Sperrvorspannung verringert ist, was ein Fließen des
Stroms in der Gegenrichtung zuläßt. Eine solche Diamant-Diode mit pn-
Übergang muß daher hinsichtlich ihrer Gleichrichtungseigenschaften
verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Diamant-Heterodiode mit
guten Gleichrichtungseigenschaften zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 aufge
führten Merkmalen gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Diode ist im Pa
tentanspruch 2 aufgeführt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Diamant-
Heterodiode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Strom/Spannung-
Kennlinien einer erfindungsgemäßen Diamant-Hetero
diode.
Fig. 3 ist eine Energiebänderdarstellung einer erfindungs
gemäßen Diamant-Heterodiode, in der eine isolierende
Zwischenschicht und eine nicht aus Diamant bestehen
de n-halbleitende Schicht jeweils aus einer isolie
renden Diamantschicht bzw. aus n-Silicium bestehen.
Fig. 4 ist ein Energiebänderdiagramm einer erfindungsge
mäßen Diamant-Heterodiode, in der die isolierende
Zwischenschicht und die nicht aus Diamant bestehende
n-halbleitende Schicht aus Siliciumdioxid bzw. n-
Silicium bestehen.
Fig. 5 ist ein Energiebänderdiagramm einer erfindungsge
mäßen Diamant-Heterodiode, in der die isolierende
Zwischenschicht und die nicht aus Diamant bestehen
de n-halbleitende Schicht aus Siliciumcarbid bzw. n-
Silicium bestehen.
Fig. 6 ist ein Energiebänderdiagramm einer herkömmlichen
Diamant-Diode mit pn-Übergang.
Vor der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird die Funktion der
erfindungsgemäßen Diamant-Heterodiode erläutert.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 bis 5 hat die erfindungsgemäße
Diamant-Heterodiode eine Energiebänderstruktur, die von der in Fig. 6
gezeigten der Diamant-Diode mit pn-Übergang völlig verschieden ist.
Setzt man die jeweiligen Bandabstände einer p-halbleitenden Diamant
schicht P, einer isolierenden Zwischenschicht I und einer nicht aus
Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N als Eg(P), Eg(I) und
Eg(N) an, könnten die Energiebänderstrukturen entsprechend der Größe
der Bandabstände in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden.
In diesen Figuren ist jeweils die Energiebänderstruktur (a) ohne Vor
spannung (Vorspannung V = 0), (b) bei Durchlaßvorspannung (V < 0), wo
bei an die p-halbleitende Diamantschicht P positive Spannung angelegt
ist, und (c) bei Sperrvorspannung (V < 0) dargestellt, bei der an die
p-halbleitende Diamantschicht P negative Spannung angelegt ist, wäh
rend die n-halbleitende Schicht N positiv ist. In diesen Figuren be
zeichnet EC die Energie an dem untersten Rand des Leitbandes, EV die
Energie an dem höchsten Rand des Valenzbandes und EF das Fermi-Niveau.
Die Kategorien sind:
Eg(P) = Eg(I) < Eg(N) (1)
Dies entspricht einem dreischichtigen Aufbau der Diamant-Heterodiode
aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden Dia
mantschicht I und einer n-halbleitenden Siliciumschicht N, die einen
kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das Energiebänderdiagramm für
diesen Fall ist in Fig. 3 gezeigt.
Eg(I) < Eg(P) < Eg(N) (2)
Dies entspricht der Diamant-Heterodiode mit einem dreischichtigen Auf
bau aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden
Zwischenschicht I aus Siliciumdioxid und einer n-halbleitenden Schicht
N aus Silicium, das einen kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das
Energiebänderdiagramm in diesem Fall ist in Fig. 4 gezeigt.
Eg(P) < Eg(I) < Eg(N) (3)
Dies entspricht der Diamant-Heterodiode mit dem dreischichtigen Aufbau
aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P, einer isolierenden Zwi
schenschicht aus Siliciumcarbid und einer n-halbleitenden Schicht N
aus Silicium, das einen kleineren Bandabstand als Diamant hat. Das En
ergiebänderdiagramm für diesen Fall ist in Fig. 5 gezeigt.
Da gemäß den vorstehenden Ausführungen die erfindungsgemäße Diamant-
Heterodiode zwischen einer p-halbleitenden Diamantschicht P und einer
nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N eine isolie
rende Zwischenschicht I hat, entsteht ein durch die elektrische
Stromzufuhr verursachtes elektrisches Feld in erster Linie an der
isolierenden Zwischenschicht I. Bei dem Anlegen einer Sperrvorspannung
sammelt die p-Diamantschicht P die negativen Ladungen und die nicht
aus Diamant bestehende n-Schicht N die positiven Ladungen, was zu
einer Energiebänderstruktur mit einer Einkerbung gemäß Fig. 3(c), 4(c)
und 5(c) führt. Die durch die Zwischenschicht verursachte Einkerbung
sowie die Sperrschicht verhindern, daß Löcher aus der nicht aus
Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N zu der p-halbleitenden
Diamantschicht P transportiert werden. Elektronen haben eine
vernachlässigbare Wirkung, da sie in der p-halbleitenden
Diamantschicht P Minoritätsträger sind. Infolgedessen ist in der
Diamant-Heterodiode der Sperrstrom weitaus geringer als in der
Diamant-Diode mit dem pn-Übergang.
Da ferner die Diamant-Heterodiode ein n-halbleitendes Material mit
niedrigem elektrischen Widerstand enthält, hat der Heteroübergang eine
kürzere Verarmungszone im Vergleich zu der Diamant-Diode mit dem pn-
Übergang. Infolgedessen besteht dann, wenn Ladungsträger wie Elektro
nen oder Löcher über den Heteroübergang transportiert werden, hin
sichtlich der Ladungsträger eine geringere Tendenz zum Verschwinden
durch Rekombination. Bei einer Durchlaßvorspannung beschleunigt das an
der isolierenden Zwischenschicht I anliegende starke elektrische Feld
den Transport der Elektronen und Löcher, was einen stärkeren Durchlaß
strom als bei der Diamant-Diode mit dem pn-Übergang ergibt.
Erfindungsgemäß sollte die Isolierschicht vorzugsweise aus einem Mate
rial bestehen, das aus der Gruppe gewählt ist, welche in Dampfphase
abgelagerten Diamant, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumni
trid (Si3N4) umfaßt. Diese Materialien haben eine kovalente Kristall
struktur wie der die p-halbleitende Schicht bildende Diamantfilm und
wie das Silicium, das ein typisches Material für das Bilden der nicht
aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht ist. Daher haben diese
Materialien weniger Defekte an der Heteroübergang-Grenzfläche zwischen
der halbleitenden Diamantschicht und der halbleitenden Siliciumschicht
als andere isolierende Materialien. Die isolierende Zwischenschicht
sollte dünner als 1 µm sein. Falls sie dicker als 1 µm ist, hat die Di
ode einen großen elektrischen Widerstand, was zu schlechten Gleich
richtungseigenschaften führt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der folgenden Beispiele ausführ
lich beschrieben:
Eine Diamant-Heterodiode gemäß Fig. 1 wurde in folgenden Schritten
hergestellt: Ein niederohmiges p-Siliciumsubstrat 1 (spezifischer Wi
derstand kleiner als 0,01 Ωcm, Format: 20 mm×10 mm) wurde über ungefähr
eine Stunde mit einer Diamantpaste poliert, die eine mittlere Teil
chengröße von 0,25 µm hatte. Auf dem p-Siliciumsubstrat wurden im Mi
krowellenplasma-CVD-Verfahren drei Schichten in der Aufeinanderfolge
einer B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2
(in 5 µm Dicke), einer undotierten polykristallinen isolierenden Dia
mantschicht 3A (in 0,5 µm Dicke) und einer polykristallinen n-halblei
tenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm Dicke) gebildet.
Bei der Synthese der n-halbleitenden Diamantschicht 2 wurde in einem
gesamten Gasdurchsatz von 100 cm3/min einem Ausgangsgas aus einem CH4-
H2-Gemisch (mit einer CH4-Konzentration von 0,5%) ein Dotierungsgas
aus (mit H2 verdünntem) Diboran (B2H6) hinzugefügt. Bei der Synthese
der isolierenden Diamantschicht 3A wurde ein Rohstoffgas aus einem
CH4-H2-Gemisch (mit einer CH4-Konzentration von 0,5%) mit Sauerstoff
in der Konzentration von 0,1% bei einem gesamten Gasdurchsatz von
100 cm3/min verwendet.
Auf der n-halbleitenden Siliciumschicht 4 wurde durch Photolithogra
phie eine Elektrode 5 aus einem Au-Film mit einem Durchmesser von un
gefähr 100 µm gebildet. Die Rückseite des p-Siliciumsubstrats wurde
galvanisch über eine Silberpaste mit einer Elektrode 6 in Form einer
Kupferplatte verbunden. Zum Vergleich wurde eine pn-Übergang-Heterodi
ode auf die vorstehend beschriebene Weise ohne die isolierende Dia
mantschicht 3A hergestellt.
Die auf diese Weise hergestellten Dioden wurden hinsichtlich der
Strom/Spannung-Kennlinien (I/V-Kurven) mittels eines Prüfgeräts gete
stet. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt,
daß gegenüber der Vergleichs-Heterodiode ohne die isolierende Zwi
schenschicht die Diamant-Heterodiode gemäß diesem Beispiel weitaus
verbesserte Gleichrichtungseigenschaften hatte, was durch einen gerin
gen Sperrstrom und einen hohen Durchlaßstrom angezeigt ist.
Eine Diamant-Heterodiode wurde in folgenden Schritten hergestellt: Es
wurde die gleiche dreischichtige Struktur wie bei dem Beispiel 1 mit
der Ausnahme hergestellt, daß die isolierende Diamantschicht 3A durch
eine isolierende Schicht aus Siliciumdioxid ersetzt wurde.
Die drei Schichten wurden auf einem niederohmigen Siliciumsubstrat
nach dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren in der Aufeinanderfolge einer
B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2 (in 5 µm
Dicke), einer isolierenden Siliciumdioxidschicht 3B (in 2 nm Dicke) und
einer polykristallinen n-halbleitenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm
Dicke) gebildet. Wie bei dem Beispiel 1 wurde auf der n-Silicium
schicht 4 eine Au-Elektrode 5 mit ungefähr 100 µm Durchmesser gebildet
und mit der Rückseite des p-Siliciumsubstrats 1 durch eine Silberpaste
eine ohmsche Elektrode 6 in Form einer Kupferplatte verbunden.
Die auf diese Weise hergestellte Diode wurde mit einem Prüfgerät hin
sichtlich der Strom/Spannung-Kennlinien (I/V-Kurven) getestet. Die Er
gebnisse sind gleichfalls in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt,
daß gegenüber der Vergleichs-Heterodiode mit dem pn-Übergang die Dia
mant-Heterodiode gemäß diesem Beispiel stark verbesserte Gleichrich
tungseigenschaften hat, die durch einen geringen Sperrstrom und einen
hohen Durchlaßstrom angezeigt sind.
Eine Diamant-Heterodiode wurde in folgenden Schritten hergestellt: Es
wurde die gleiche dreischichtige Struktur wie bei dem Beispiel 1 mit
der Ausnahme hergestellt, daß die isolierende Diamantschicht 3A durch
eine isolierende Schicht aus Siliciumcarbid ersetzt wurde.
Die drei Schichten wurden auf einem niederohmigen Siliciumsubstrat 1
nach dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren in der Aufeinanderfolge einer
B-dotierten polykristallinen p-halbleitenden Diamantschicht 2 (in 5 µm
Dicke), einer isolierenden Siliciumcarbid-Schicht 3C (in 2 nm Dicke)
und einer polykristallinen n-halbleitenden Siliciumschicht 4 (in 1 µm
Dicke) gebildet. Wie bei dem Beispiel 1 wurde auf der n-Silicium
schicht 4 eine Au-Elektrode 5 mit 100 µm Durchmesser gebildet und mit
der Rückseite des p-Siliciumsubstrats 1 durch eine Silberpaste eine
ohmsche Elektrode 6 in Form einer Kupferplatte verbunden.
Die auf diese Weise hergestellte Diode wurde hinsichtlich der
Strom/Spannung-Kennlinien mittels eines Prüfgeräts getestet. Die Er
gebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß gegenüber
der Vergleichs-Heterodiode mit dem pn-Übergang die Diamant-Heterodiode
gemäß diesem Beispiel außerordentlich verbesserte Gleichrichtungsei
genschaften hatte, wie sie durch einen kleinen Sperrstrom und einen
hohen Durchlaßstrom in Erscheinung treten.
Es wurde ferner festgestellt, daß die Diamant-Heterodiode mit einer
isolierenden Zwischenschicht aus Siliciumnitrid (Si3N4) gleichfalls
gute Gleichrichtungseigenschaften zeigt. Der vorangehend genannte He
teroübergang mit Dreischichtenstruktur kann gleichfalls bei einer
mehrschichtigen Struktur aus einer p-halbleitenden Diamantschicht P
und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht N an
gewandt werden, bspw. bei PNP- und NPN-Halbleitervorrichtungen wie
Transistoren oder PNPN- und NPNP-Halbleitervorrichtungen wie bistabi
len Dioden.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen ergibt die Erfindung eine Diamant-
Heterodiode mit dreischichtigem Aufbau aus einer p-halbleitenden Dia
mantschicht, einer isolierenden Zwischenschicht mit einer bestimmten
Dicke und einer nicht aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht.
Bei Durchlaßvorspannung beschleunigt das an der Isolierschicht errich
tete elektrische Feld den Transport von Löchern und Elektronen. Bei
Sperrvorspannung verhindert eine durch die Zwischenschicht verursachte
Einsenkung sowie Sperrzone den Transport von Löchern aus der n-halb
leitenden Schicht zu der p-halbleitenden Diamantschicht. Aus diesen
Gründen zeigt die Diamant-Heterodiode gute Gleichrichtungseigenschaf
ten mit einem geringen Sperrstrom und einem hohen Durchlaßstrom.
Eine Diamant-Heterodiode hat verbesserte Gleichrichtungseigenschaften
mit geringem Sperrstrom und hohem Durchlaßstrom. Auf einem niederohmi
gen p-Siliciumsubstrat werden nach dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren
drei Schichten in der Aufeinanderfolge einer B-dotierten p-halbleiten
den Diamantschicht, einer undotierten isolierenden Diamantschicht, die
dünner als 1 µm ist, und einer n-halbleitenden Siliciumschicht gebil
det. An der Vorderseite der n-halbleitenden Siliciumschicht und an der
Rückseite des Substrats werden ohmsche Elektroden gebildet. Bei einer
Durchlaßvorspannung wird durch das an der isolierenden Zwischenschicht
entstehende elektrische Feld der Transport von Löchern und Elektronen
beschleunigt. Bei einer Sperrvorspannung erhält infolge der Zwischen
schicht das Energieband eine Absenkung sowie auch eine Potential
sperre, wodurch der Transport von Löchern aus der n-halbleitenden
Schicht zu der p-halbleitenden Diamantschicht verhindert wird, was die
verbesserten Gleichrichtungseigenschaften ergibt.
Claims (2)
1. Diamant-Heterodiode, gekennzeichnet durch einen dreischichtigen
Aufbau aus einer p-halbleitenden Diamantschicht (2, P), einer isolie
renden Zwischenschicht (3; I), die dünner als 1 µm ist, und einer nicht
aus Diamant bestehenden n-halbleitenden Schicht (4; N).
2. Diamant-Heterodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die isolierende Zwischenschicht (3; I) aus mindestens einem Material
hergestellt ist, das aus der Gruppe Dampfphasenablagerungs-Diamant,
Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumnitrid gewählt ist.
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