用钻石做芯片又一重磅公布
来源:火狐体育app网站    发布时间:2023-12-29 08:58:11| 阅读次数:518

  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。随世界向可再次生产的能源过渡,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、可再次生产的能源部署将被推迟,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,我们一定要从传统材料(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),这一点很重要带隙材料,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,“我们大家都希望确保为每个人提供足够的资源,同时我们的需求也在一直在变化。现在,个人会使用慢慢的变多的带宽,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:有没有一种办法能够让我们变得更高效,而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂?”

  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能承受大约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。希望我们也可以继续优化该设备和其他配置,以便我们也可以接近金刚石材料潜力的性能极限。”

  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)

  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 型硼掺杂剂相比来说较低的活化能(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。在这一些器件中提高击穿电压要增加漂移层厚度,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。

  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,接着进行剥离工艺。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。

  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 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(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。当泄漏电流飞速增加到合规极限时,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会降低。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。相比来说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 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。仿线场板后,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)作比较的基准。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能够最终靠研究漂移层厚度和掺杂来优化。较厚的沟道能增加线性电流密度,以此来降低RON。还能增加漂移层掺杂浓度以克服 SCLC 并允许更短的漂移层。

  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 行为无显著影响。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 型金刚特基二极管中最高的击穿电压之一。然而,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。