电气开关器件制造技术

公开了一种电气开关器件，该器件包括：衬底，所述衬底包括至少一个金刚石层；与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电气开关和放大器件，并且具体地但并非排他性地，涉及在高功率应用中使用的电气开关器件。本专利技术还涉及一种将催化材料嵌入金刚石衬底中的方法。
技术介绍
如本领域技术人员已知的，硅在用作高功率和极端环境中的开关和放大应用的基本电子材料时是有局限的。例如，已知的是，硅在可接受水平的接通状态损耗以及可用的开 关速度的基础上具有大约8kV的反向击穿电压。这意味着，为了在若干最终用途应用中获得有意义的电压和/或电流电平，需要串联或并联组合的多个离散器件，这又要求其它电子元件保证器件之间的工作保持平衡，因而在实现上可能是复杂的。由于金刚石的通常明显优于任何其它电子材料的热属性、介电属性和载流子移动属性，金刚石提供了对这个问题的潜在解决方案。因此，用金刚石制成的器件通过减少实施应用所需的离散器件的数量而提供了显著降低复杂性的潜力。在大多数半导体器件中，电子功能是通过将外部元素(或被称为掺杂物)选择性地引入晶体结构中来改变基材的电属性而实现的。在金刚石的情况下，掺杂物的选择受限于相对小的晶格尺寸。结果是，对金刚石晶体结构干扰最少的两种掺杂物是硼(P型)和氮(η型)。虽然掺杂了硼的金刚石是相当有效的P型半导体，但尚未发现有效的η型掺杂物。问题在于，这两种掺杂物是分别具有O. 7eV和4. 5eV的活化能量的深施主，从而导致需要加热来协助释放电荷载流子，以实现有效的器件操作。然而，加热工艺还导致载流子移动值和电场击穿强度的降低，从而使得金刚石的对于制造高功率开关来说理想的关键属性中的两个属性打了折扣。这样，以此方式制造的器件没有充分利用作为电子材料的金刚石的固有的物理属性。现有器件总是在它们能够在关断状态下阻塞的电压与它们能够在接通状态下通过的电流之间进行权衡。进一步地，为了在非金刚石材料中获得最高的电压和功率额定，通常需要用于器件的双极结构。由于为了增加器件的开关电压而物理地增大了结的尺寸，因此，需要中和、以关断器件的电荷量也会增加，这又使器件的开关频率打了折扣。
技术实现思路
本专利技术的优选实施例试图通过使用单极结构来克服现有技术中的上述缺点，所述单极结构使得金刚石的全部材料潜力能够为功率器件充分利用。本专利技术利用与金刚石有关的多种已知现象。即发射电子能够穿过本征金刚石行进几百微米，而损耗非常少；经掺杂的金刚石可以用于控制来自单种等离子体的空间电荷堆积；以及电子可以从金刚石衬底内所嵌入的敏锐的传导性侵入物中直接发射到金刚石中。因此，本专利技术试图利用金刚石内所嵌入的工程化的电子发射极结构，而该结构将仅在存在合适的直流偏置的情况下导通，并且本专利技术试图使用金刚石的电子传输属性，以便能够通过所述材料而导通。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电气器件，该电气器件包括衬底，该衬底包括至少一个金刚石层；与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。 这提供了以下优点通过导电突起的合适的构造，在所述金刚石材料内可以出现场增强的电子发射。这又使得所述器件能够在比常规的包含金刚石的电气器件低的温度下操作，并且具有令人满意的接通状态的导通性以及关断状态的电流阻塞属性。所述衬底可以在与至少一个所述突起的至少末端相邻处包含含有第一杂质的金刚石材料，该第一杂质适于改变与所述末端相邻的所述金刚石材料的电特性。这提供了以下优点降低了导电突起与金刚石层之间的势垒，这又降低了激活所述器件所需的电势。所述第一杂质可用于为所述材料提供η型电特性。这提供了以下优点引入自由电子，所述自由电子增强了所述器件在其接通状态下的导通性。所述衬底可以在与至少一个所述第二电极相邻处包含含有第二杂质的金刚石材料，该第二杂质适于改变与所述第二电极相邻的所述金刚石材料的电特性。这提供了以下优点使得能够减少衬底材料内的空间电荷堆积的发生，这又会限制所述器件的接通状态电流的幅度。所述第二杂质可用于为所述金刚石材料提供P型电特性。所述器件可进一步包括至少一个第三电极，所述至少一个第三电极被布置在所述衬底中，并且与所述第一电极或每个所述第一电极以及所述第二电极或每个所述第二电极间隔开。这提供了以下优点使得能够通过向第三电极施加合适的电压而控制所述突起附近的电场，并且因此控制接通状态下的电流。至少一个所述第三电极可以限定与至少一个所述突起相邻的至少一个相应的孔洞。这提供了以下优点使得能够进一步控制突起附近的电场。至少一个所述第三电极可以被布置在本征金刚石材料的层中。这提供了以下优点减少了从第三电极到第一电极或第二电极的泄漏电流，这又改善了所述器件的性能。至少一个所述第三电极可以包含非金刚石型碳，所述非金刚石型碳是通过使用注入技术对金刚石材料的选择区域进行转变而形成的。这提供了以下优点通过使对埋置的金属层的需求最小而简化了器件制造。至少一个所述第三电极可以包含含有适于增加材料的导电性的杂质的金刚石材料。这提供了以下优点通过利用半导体金刚石的高移动性属性而避免了将金刚石石墨化的需求，并且可以同质外延地生长，而不是注入。所述器件可以进一步包括多个分离的所述第二电极。这提供了以下优点使得能够构造这样的器件，其中多个第二电极之间的电流可受控于合适偏置的电压信号向所述第三电极的施加，其结果是，可以实现放大。根据本专利技术的另一方面，提供了一种改变包括至 少一层金刚石材料的衬底的方法，所述方法包括在所述衬底的金刚石材料的至少预定区域上沉积至少一种催化材料；使得与所述催化材料的至少一部分接触的所述金刚石材料的至少一部分转化为非金刚石型碳；以及使得所述催化材料的至少一部分渗入所述衬底。这提供了以下优点使得能够在所述衬底中形成小直径的长孔。这又使得能够制造具有导电突起的电气器件，所述导电突起具有高的宽高比，这又使得能够制造高性能的器件。所述方法进一步包括使得所述金刚石材料的所述预定区域上的所述催化材料形成分离的催化材料的区域。这提供了以下优点使得能够以高度局部化的方式在衬底上对催化材料进行图案化。使至少一种所述催化材料形成多个分离的区域的步骤可以包括在存在至少一个等离子体放电的情况下对所述材料进行加热，所述等离子体放电包含至少一种还原组分。可以通过加热使与所述催化材料的至少一部分接触的所述金刚石材料的至少一部分转化为非金刚石型碳。所述方法可进一步包括在所述衬底上沉积所述催化材料之前，改变所述衬底的表面的至少一部分，以减少所述催化材料与所述衬底的反应性。这提供了以下优点使得能够控制催化材料与金刚石衬底的反应，这又改善了制造工艺。所述方法可进一步包括在所述衬底的表面上形成对金刚石材料的非金刚石型碳损坏的至少一个区域。这提供了以下优点有助于催化材料与衬底的反应的局部化，这又改善了制造工艺的精度。可以通过光刻工艺对至少一种所述催化材料进行图案化。可以通过以下工艺使所述催化材料的至少一部分渗入所述衬底将所述衬底加热到足够的温度，以开始金刚石向非金刚石的催化分解，以及施加合适的、均匀偏置的磁场和/或电场。这提供了以下优点保证催化作用，以及通过催化材料与外部电场和或磁场的相互作用，赋予催化材料定向运动。可以通过至少一个等离子体放电而使所述催化材料的至少一部分渗入所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气器件，包括：衬底，所述衬底包括至少一个金刚石层；与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：格丽斯·安德鲁·泰勒，
申请(专利权)人：艾文斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：