用鑽石做芯片，又一重磅公布

爲了在2050年實現世界碳中和的目標，電子材料必須發生根本性的變化，以創建更可靠、更有彈性的電網。鑽石除了可能是女性最好的朋友，但它也可能是維持社會電氣化所需的解決方案，以在未來30年實現碳中和。

美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員开發了一種由金剛石制成的半導體器件，與之前報道的金剛石器件相比，該器件具有最高的擊穿電壓和最低的漏電流。隨着世界向可再生能源過渡，這種設備將實現所需的更高效的技術。

據估計，目前全球50%的電力由功率器件控制，預計不到十年，這一數字將增至80%，同時，電力需求將增加50%。

根據美國國家科學院、工程院和醫學院的一份新報告，“也許成功能源轉型面臨的最大技術危險是國家未能選址、現代化和建設電網的風險。輸電能力、可再生能源部署將被推遲，最終結果可能至少是化石燃料排放量暫時增加，從而阻礙國家實現其減排目標。”

“爲了滿足這些電力需求並使電網現代化，我們必須從傳統材料（例如硅）轉向我們今天所採用的新材料（例如碳化硅）和下一代半導體（超寬），這一點非常重要帶隙材料，例如氮化鋁、金剛石和相關化合物，”領導這項研究的電氣和計算機工程教授 Can Bayram 和研究生Zhuoran Han說。這項工作的結果發表在《IEEE Electron Device Letters》雜志上。

大多數半導體都是用硅制造的，到目前爲止，已經滿足了社會的電力需求。但正如Bayram指出的那樣，“我們希望確保爲每個人提供足夠的資源，同時我們的需求也在不斷變化。現在，我們使用越來越多的帶寬，我們正在創建更多的數據（這也帶來了更多的存儲空間） ，我們正在使用更多的電力、更多的電和更多的能源。問題是：有沒有一種方法可以讓我們變得更加高效，而不是產生更多的能源和建造更多的發電廠？”

爲什么是鑽石？

金剛石是一種具有最高導熱率的超寬帶半導體，導熱率是材料傳遞熱量的能力。由於這些特性，與硅等傳統半導體材料相比，金剛石半導體器件可以在更高的電壓和電流下工作（使用更少的材料），並且仍然可以散熱，而不會導致電氣性能下降。

“要擁有一個需要高電流和高電壓的電網，從而使太陽能電池板和風力渦輪機等應用變得更加高效，那么我們需要一種沒有熱限制的技術。這就是鑽石的用武之地，”Bayram 說。

盡管許多人將鑽石與昂貴的珠寶聯系在一起，但鑽石可以在實驗室中更經濟、更可持續地制造，使其成爲一種可行且重要的半導體替代品。天然鑽石是在地球表面深處在巨大的壓力和熱量下形成的，但由於它本質上只是碳（碳含量豐富），因此人工合成鑽石可以在數周而不是數十億年的時間內制成，同時產量也減少了100倍碳排放量。

在這項工作中，Bayram 和 Han 展示了他們的金剛石裝置可以承受大約5kV的高電壓，盡管電壓受到測量設置的限制，而不是來自裝置本身。理論上，該裝置可承受高達9kV的電壓。這是金剛石裝置報告的最高電壓。除了最高的擊穿電壓外，該器件還表現出最低的漏電流，可以將其視爲具有能量的漏水水龍頭。漏電流影響器件的整體效率和可靠性。

Han 說：“我們構建了一種更適合未來電網和其他電力應用的高功率、高壓應用的電子設備。我們在超寬帶隙材料——人造金剛石上構建了該設備，它有望實現更高的效率和更好的性能。” “性能優於當前一代設備。希望我們能夠繼續優化該設備和其他配置，以便我們能夠接近金剛石材料潛力的性能極限。”

以下爲論文原文：

具有高擊穿電壓的金剛石p型橫向肖特基勢壘二極管（0.01mA/Mm時爲 4612V）

介紹

金剛石是一種新興的高功率電子半導體，具有大帶隙（EG，5.47 eV）、大臨界電場（EB，10–20 MV/cm）、高載流子遷移率（μ , 高達2100釐米²⋅ V-1⋅ s-1 對於低摻雜濃度 (<1015 cm-3) 和高導熱率 (k, 22 - 24W · CM-1⋅K-1 ）。p 型硼摻雜劑相對較低的活化能（0.38 eV，而 n 型磷爲 0.57 eV），同時，CVD 生長的硼摻雜金剛石的成熟促使 p 型金剛石肖特基二極管用於研究和高臨界領域7.7 MV/cm 和 2.5 kV 的擊穿電壓已在垂直或僞垂直配置中得到證實。在這些器件中提高擊穿電壓需要增加漂移層厚度，這對於實驗生長來說具有挑战性，並且蝕刻得更深，這會產生加工問題。將金剛石 SBD 縮放到更高電壓的一種方法是使用其橫向配置，其中擊穿電壓通過調整陽極和陰極之間的距離來縮放，而不需要厚的漂移層。

在這篇文章中，報道了通過接觸再生和邊緣終止技術實現的具有高擊穿電壓 (4612 V) 的金剛石 p 型橫向肖特基勢壘二極管 (SBD)。使用熱電子發射模型和 Mott-Gurney 關系研究正向 IV 特性。使用 Synopsys 的 Sentaurus TCAD 軟件在反向偏壓下模擬 SBD，以研究場板（Field Plate:FP）結構的影響。仿真預測顯示，添加場板後峰值電場會顯着降低，這與實驗測量的有或沒有場板的二極管的擊穿性能一致。最後，橫向 SBD 在比導通電阻 (R ON ) 和擊穿電壓 (V br )方面與之前報道的金剛石功率器件進行了基准測試。

器件制造

圖1顯示了金剛石p型橫向SBD的外延（通過微波等離子體增強化學氣相沉積（MPCVD））和潔淨室微加工工藝流程。

首先，一個2微米_p- 漂移層（[B]< 8 ×1015 cm-3]）生長在3 × 3 mm2 Ib (100) 型高壓高溫 (HPHT) 的金剛石基材上。使用光學輪廓測定法測量外延層的RMS表面粗糙度爲7.5nm。然後，200納米p+ 鑽石（[B]～3 ×1020 cm-3 ]）選擇性生長以形成歐姆接觸區。通過電子束蒸發 Ti (30 nm)/Pt (30 nm)/Au (100 nm) 形成歐姆金屬接觸，然後在 Ar 氣體環境中在 450 °C 下熱退火 50 分鐘。歐姆接觸的比接觸電阻通過 TLM 測量確定，測得爲 1.25±0.98 ×10−4Ω -CM²。接下來，通過電子束蒸發沉積300 nm Al2O3場板，然後進行剝離工藝。Al2O3被選爲場氧化物，因爲它相對於金剛石具有較高的介電常數（對於沉積的Al2O3而言，k=8.63 ± 0.07 ），這降低了電場強度，並且氧終止鑽石的能帶偏移較大。在肖特基接觸沉積之前，暴露的金剛石表面在室溫下經過臭氧處理 1.5 小時以獲得穩定的氧終止。Mo (50 nm) / Pt (50 nm) / Au (100 nm) 的肖特基金屬疊層通過電子束蒸發沉積。Al2O3場板的內半徑和外半徑分別爲40微米和80微米。肖特基接觸的半徑爲60微米，歐姆接觸和肖特基接觸之間的間隔爲d= 80微米。所制作的帶有場板的圓形結構金剛石p型橫向SBD的俯視顯微鏡圖像如圖1(f)所示。

圖1：金剛石橫向 SBD 的外延和潔淨室微加工步驟 (a)p-漂移層外延生長；(b)p+ 接觸層選擇性生長；(c)歐姆接觸沉積；(d)Al2O3場板形成；(e) 肖特基接觸沉積；(f) 使用視場板制造的金剛石橫向 SBD 的俯視顯微鏡圖像。

結果與討論

圖2(a)顯示了在室溫下有和沒有Al2O3場板的情況下所制造的金剛石p型橫向SBD的半對數和线性（插圖）JV曲线。沒有場板的 SBD 具有相同的肖特基到歐姆距離d=80微米，肖特基接觸半徑與Al2O3場板的內半徑相同。兩個二極管在+/-5V範圍內均表現出107的整流比。對於帶場板和不帶場板的SBD，40 V 正向偏置下的线性電流密度分別爲0.049 mA/mm和0.044 mA/mm 。SBD 在進行高溫和擊穿測量之前經過多次重新處理，並在前向JV特性中表現出良好的再現性。對於具有和不具有 FP 的 SBD，四個制造批次之間在40V 正向偏壓下的正向電流密度的最大差異分別爲 15% 和 6%。零偏壓下的肖特基勢壘高度 (SBH) 使用熱電子發射模型根據前向JV曲线的對數线性區域進行擬合來計算。

如圖所示，JS ,A* ,T ,n ,q ,φb ， 和kB是反向飽和電流密度，理查森常數（90 A cm−2 K² 對於金剛石），分別是絕對溫度、理想因子、基本電荷、SBH 和玻爾茲曼常數。帶和不帶場板的 SBD 提取的理想因子分別爲 4.77 和 3.71。根據四個制造的 SBD 的配件估算的 SBH 爲 1.02 ± 0.01 eV。SBH 與先前報道的橫向器件中的其他鉬金剛石肖特基接觸非常一致。

圖 2：(a)室溫 (RT) 下，帶和不帶場板 (FP) 的金剛石橫向 SBD 的正向J -V 特性，以半對數和（插圖）线性標度表示；虛线表示計算出的空間電荷限制傳導 (SCLC) J -V 關系。(b) 200 °C 時，帶和不帶 FP 的金剛石橫向 SBD 的正向J -V 特性，採用半對數和（插圖）线性標度。

圖 2(a)還繪制了在所制造的二極管中計算出的 10 – 40V 正向電壓下的空間電荷限制傳導 (SCLC) 電流密度。由於摻雜劑在室溫下不完全電離，漂移區中的活性空穴濃度估計低於1014cm -3。隨着施加的正向偏壓增加，隨着注入電荷在漂移區累積，電荷中性不再保持，SCLC 开始佔主導地位。對於輕摻雜半導體，SCLC 由 Mott-Gurney 關系描述：

如圖所示，J ,εr ,ε0 ,μ ,V ，和d 分別是電流密度、相對介電常數、自由空間介電常數、載流子遷移率、漂移區兩端的電壓和漂移區的長度。計算出的 SCLC 電流與測量數據非常一致。在 200 °C 時，大多數受體被電離，並且帶和不帶場板的 SBD 在 40 V 正向偏壓下的线性電流密度分別顯着增加至5.39 mA/mm 和5.09 mA/mm，如圖 2(b)所示。

圖3顯示了有和沒有場板的SBD的反向漏電JV特性。在反向測量過程中，將金剛石晶圓浸沒在 3M™Fluorinert™電子液體中，以防止空氣擊穿。當泄漏電流急劇增加到合規極限時，不帶場板的橫向 SBD 在 1159 V 時擊穿50微安。第一次擊穿後，反向電流密度在低反向偏壓下增加，這證實了泄漏路徑的產生。測量後未發現肖特基觸點有任何物理損壞。然而，重復的擊穿測量表明擊穿電壓有所下降。帶有場板的 SBD 表現出高達 4612 V 的穩定漏電流，這是 Fluorinert™ 電子液體的極限。4612V反向偏壓下的漏電流密度小於0.01mA/mm，與擊穿前沒有場板的SBD相似。相對較高的穩定漏電流可歸因於外延生長的漂移層的高表面粗糙度（RMS粗糙度= 7.5 nm），這是由粗拋光和隨機生長缺陷引起的。

圖 3：帶和不帶 FP 的金剛石橫向 SBD 的室溫反向漏電J -V 特性。

圖 4顯示了沿着虛线切割线的模擬水平電場強度0.1 μm 遠離金剛石-肖特基接觸界面，用於橫向 SBD（帶或不帶場板），反向偏壓爲 3 kV。Synopsys Sentaurus TCAD 軟件用於研究Al2O3場板的影響。結合了經驗遷移率模型、Overstraeten 和 Man 模型的碰撞電離系數、摻雜劑的不完全電離以及由於鏡像力導致的肖特基勢壘降低。在電場擁擠嚴重的金屬-半導體界面附近的漂移區域檢查電場強度。仿真預測，添加 300 nm 厚的Al2O3場板後，肖特基接觸邊緣附近的峰值電場將減少 56%。

圖 4：沿着虛线切割线的模擬水平電場強度0.1微米_  遠離金剛石-肖特基接觸界面，用於在 3 kV 反向偏壓下帶或不帶 FP 的橫向 SBD。

圖 5顯示了特定導通電阻 (R ON ) 與擊穿電壓 (V br )的基准在室溫下。這項工作表現出比先前報道的僞垂直和垂直 SBD、橫向 MESFET、MOSFET 和 JEFT 更高的擊穿電壓。

圖 5：所制造的橫向 SBD 與之前報道的金剛石功率器件（包括橫向 MESFET、MOSFET 和Jet FET，以及室溫下的僞垂直和垂直 SBD）進行比較的基准。括號中顯示了報告擊穿時的漏電流。

具體導通電阻標准化爲527Ω-cm²，對於帶場板和不帶場板的 SBD 爲34Ω-cm²，-cm²。R ON值比最先進的僞垂直和垂直 SBD 高 3 到 4 個數量級。鑑於接觸電阻較低（1.25±0.98 ×10−4Ω -cm² ) 的歐姆接觸，大的 RON可歸因於空間電荷限制傳導 (SCLC) 和空間電荷區域p- 漂移層與 n 型 Ib 金剛石基板相關，可減少電流傳導的有源層厚度。RON可以通過研究漂移層厚度和摻雜來優化。較厚的溝道可以增加线性電流密度，從而降低RON。還可以增加漂移層摻雜濃度以克服 SCLC 並允許更短的漂移層。

結論

總之，報道了帶有和不帶有Al2O3場板的金剛石 p 型橫向 SBD。在室溫下，二極管的整流比爲107，在40V 正向偏壓下，正向電流密度爲 0.049（帶場板）和 0.044（無場板）mA/mm。具體導通電阻爲 534（無場板）和 527（有場板）Ω cm²。在反向偏壓下，兩個二極管在擊穿前的漏電流密度均低於 0.01 mA/mm。Al2O3場板將擊穿電壓從 1159 V 提高到 4612 V，並且對 IV 行爲沒有明顯影響。使用 Synopsys的 Sentaurus 軟件通過 TCAD 模擬研究了Al2O3場板的影響，該軟件預測在 3 kV 反向偏壓下使用Al2O3場板可使峰值電場強度降低 56% 。

最後，提出了橫向 SBD 在比導通電阻與擊穿電壓方面的基准。擊穿電壓是迄今爲止 p 型金剛石肖特基二極管中最高的擊穿電壓之一。然而，需要進一步優化漂移層厚度和摻雜濃度，以降低 R ON並更接近金剛石的材料極限。

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