具有金刚石集电极和电流隧穿层的P-N二极管和P-N-P异质结双极晶体管制造技术

本发明专利技术提供了包含p型掺杂的金刚石的P

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有金刚石集电极和电流隧穿层的P-N二极管和P-N-P异质结双极晶体管
[0001]引用政府权利
[0002]本专利技术是在NAVY/ONR授予的N00014-18-1-2032以及DARPA授予的N00014-12-1-0884和N00014-12-1-0077的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2018年7月9日提交的美国专利申请号16/029,811的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术介绍

[0005]金刚石是下一代高功率开关器件最需要的宽带隙材料之一，因为它具有优异的物理和电气特性，包括高击穿电场、高导热率和高载流子迁移率。随着通过高生长速率化学气相沉积(CVD)生长大面积单晶金刚石衬底的发展，金刚石器件的研究一直在稳步前进。然而，由于深的施主能级，在金刚石中使用氮或磷来实现n型掺杂非常困难。结果，基于金刚石的电子设备主要基于p型掺杂的金刚石。
[0006]已经实现了用磷对(001)金刚石衬底进行N型掺杂。然而，由于深的磷施主水平，n型层的电阻率仍高。因此，尽管基于金刚石的p-n结二极管(PND)显示出高击穿电压，但它们也具有高导通电阻，因为非欧姆金属/n型金刚石接触和n型掺杂的金刚石层产生高电阻，这不利于获得高功率、低损耗的二极管。另一方面，尽管p型金刚石能够为基于p型金刚石的肖特基(Schottky)二极管提供高击穿电压，但仍在导通电阻和击穿电压之间存在权衡。为了减小p型耗尽层的电阻，需要增加受主浓度，并且所得耗尽区变窄，导致击穿电压降低。(参见例如A.Traore等人，Zr/oxidized diamond interface for high power Schottky diodes，Appl.Phys.Lett.104，052105(2014)。)

技术实现思路

[0007]提供了包括p型掺杂金刚石(“p型金刚石”)的P-N二极管和结合了该p-n二极管的器件(例如p-n-p HBT)。
[0008]p-n二极管的一个实施方案包括：(a)具有上表面的p型金刚石层，该上表面具有正的电子亲和力；(b)单晶n型半导体材料层，该单晶半导体材料具有与金刚石不同的晶格常数；(c)设置在金刚石的上表面和单晶n型半导体材料层的下表面之间并与之接触的电流隧穿层。电流隧穿层包含无机材料，该无机材料具有的带隙比金刚石和单晶n型半导体材料的带隙宽，并且该无机材料不是单晶n型半导体材料的天然氧化物。
[0009]异质结双极晶体管的一个实施方案包括：(a)集电极，其包括具有上表面的p型金刚石层，该上表面具有正电子亲和力；(b)基极，其包括单晶n型半导体材料层，所述单晶n型半导体材料具有与所述金刚石不同的晶格常数；(c)设置在金刚石层的上表面和单晶n型半导体材料层的下表面之间并与之接触的电流隧穿层；(d)包括单晶p型半导体材料层的发射极。电流隧穿层包含无机材料，该无机材料具有的带隙比金刚石和单晶n型半导体材料的带
隙宽，并且该无机材料不是单晶n型半导体材料的天然氧化物。
[0010]通过阅读以下附图、详细描述和所附权利要求，本专利技术的其他主要特征和优点对于本领域技术人员将变得清楚。
附图说明
[0011]以下将参考附图描述本专利技术的说明性实施方案，其中相似标号表示相似元件。
[0012]图1A是金刚石-集电极异质结双极晶体管(HBT)的一个实施方案的示意图。图1B示出了图1A的HBT的能级和能带图，其具有负电子亲和力(χ)金刚石集电极。图1C示出了图1A的HBT的能级和能带图，其具有正电子亲和力金刚石集电极。
[0013]图2A是金刚石-集电极HBT的另一实施方案的示意图。图2B示出了图2A的HBT的能级和能带图，其具有正电子亲和力金刚石集电极。
[0014]图3是示出使用纳米膜转移和结合工艺制造金刚石-集电极HBT的方法的示意图。
[0015]图4A示出了将n型掺杂的GaAs纳米膜转移到原子层沉积法(ALD)沉积的电流隧穿层上以形成p-n二极管。图4B示出了二极管结构的示意性截面图。
[0016]图5A的子图(i)示出了具有负电子亲和力的p-金刚石层的p-n二极管的能带对齐。图5A的子图(ii)示出了具有正电子亲和力的p-金刚石层的p-n二极管的能带对齐。图5B的子图(i)示出了图5A子图(i)的p-n二极管在反向偏压下耗尽区延伸到n-GaAs中的能带对齐。图5B的子图(ii)示出了图5A子图(ii)的p-n二极管在反向偏压下耗尽区延伸到p-金刚石中的能带对齐。图5C的子图(i)示出了图5A子图(i)的p-n二极管的I-V特性。图5C的子图(ii)示出了图5A子图(ii)的p-n二极管的I-V特性。
[0017]图6A显示了在室温下在空气中具有负电子亲和力的金刚石p-n二极管的电流密度-电压(J-V)特性。图6B示出了在室温下在空气中具有正电子亲和力金刚石的金刚石p-n二极管的J-V特性。
[0018]图7A以半对数标示出图5A子图(ii)的GaAs/金刚石n-p二极管在室温下在空气中在反向电压条件下的电流密度-电压特性，该二极管的电极面积为60μm
×
60μm。图7B示出了图5A子图(ii)的GaAs/金刚石n-p二极管的击穿电压的线性比例图。图7C示出了使用dV/dJ估计的金刚石的差分电阻。
[0019]图8示出了实施例2的p-n-p HBT的层在彼此接触之前的能带对齐，其中记录了带隙值。
[0020]图9A-9C描绘了p-n-p金刚石HBT的DC特性。图9A示出了p-Si NM发射极和n-Ge NM基极异质结二极管(E-B结)的电流密度-电压特性。图9B示出了n-GeNM基极和p-金刚石集电极异质结二极管(C-B结)的电流密度-电压特性。图9C显示了具有0.5μA台阶(step)的HBT的共发射极(common emitter)I
C
–
V
CE
特性。图9D描绘了Gummel图，该图显示了在2.8V的V
EB
下49的最大电流增益(β
max
)。
[0021]图10A-10C示出了p-n-p金刚石HBT的电流增益和射频(RF)特性。图10A示出了电流增益和差分β作为集电极电流密度的函数，不同的V
CB
从0V至2V。图10B描绘了在0.06μA的偏置点I
B
和-5V的V
CB
处的单向功率增益(U)和最大稳定增益(MSG)/最大可用增益(MAG)与频率的关系。图9C示出f
T
和f
max
作为集电极电流密度的函数。
[0022]图11A是使用具有1nm Al2O
3 ALD中间层的Ti/Pt/Au金属叠层的Al2O3辅助的欧姆
金属化至金刚石衬底的示意图。图11B示出了退火之后两个集电极金属触点之间的I-V特性。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种p-n二极管，包含：具有上表面的p型金刚石层，该上表面具有正电子亲和力；单晶n型半导体材料层，该单晶半导体材料的晶格常数与金刚石不同；和设置在金刚石的上表面和单晶n型半导体材料层的下表面之间并与之接触的电流隧穿层，其中电流隧穿层包含无机材料，该无机材料具有的带隙比单晶n型半导体材料和金刚石的带隙宽，并且其中该无机材料不是单晶n型半导体材料的天然氧化物。2.根据权利要求1所述的二极管，其中所述n型半导体材料是n型GaAs。3.根据权利要求2所述的二极管，其中所述无机材料是氧化铝。4.根据权利要求2所述的二极管，在25℃的温度下具有至少1kV的击穿电压。5.根据权利要求1所述的二极管，其中所述n型半导体材料是n型Ge。6.根据权利要求5所述的二极管，其中所述无机材料是氧化铝。7.一种异质结双极晶体管，包含：集电极，包含具有上表面p型金刚石层，该上表面具有正电子亲和力；基极，包含单晶n型半导体材料层，所述单晶n型半导体材料的晶格常数与金刚石不同；设置在金刚石...

【专利技术属性】
技术研发人员：马振强，
申请(专利权)人：威斯康星州男校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：