DE69126901T2

DE69126901T2 - Halbleiteranordnungen aus Diamant

Info

Publication number: DE69126901T2
Application number: DE69126901T
Authority: DE
Inventors: Naoji Fujimori; Yoshiki Nishibayashi; Hiromu Shiomi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-03-05
Also published as: JP2730271B2; US5132749A; JPH03278474A; DE69126901D1; EP0445998A1; EP0445998B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit wenigstens einer Diamant-Halbleiterschicht als Teil von aktiven Schichten; zum Beispiel eine Schottky-Diode, ein Feldeffekt-Transistor oder eine p-n-Diode.
Das Halbleitermaterial, das gegenwärtig am häufigsten als Material für diskrete Halbleiterbauelemente, zum Beispiel Transistoren oder Dioden, und für integrierte Schaltkreise, zum Beispiel logische Bauelemente oder Speicher, benutzt wird, ist Silicium (Si). Außerdem fanden Halbleiterverbindungen der Gruppen III bis V des Periodensystems, zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP), wegen der hohen Elektronenbeweglichkeit oder des direkten Übergangs zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband Anwendung bei speziellen, beschränkten Bereichen von Halbleiterbauelementen, zum Beispiel optoelektronische Bauelemente oder integrierte Schaltkreise im Super-Hochfrequenzbereich.
Obwohl Silicium und Galliumarsenid ausgezeichnete Materialien für Halbleiterbauelemente sind, sind sie nicht frei von dem bekannten Nachteil, daß Halbleiterbauelemente aus diesen Materialien nicht bei hohen Temperaturen benutzt werden können. Die Silicium-Bauelemente können nicht oberhalb von 200 ºC arbeiten. Selbst die Galliumarsenid-Bauelemente können nicht oberhalb von 300 ºC arbeiten. Dieser Nachteil wird durch die schmalen Bandabstände zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband verursacht, zum Beispiel 1 , 1 eV für Silicium und 1,5eV für Galliumarsenid (1 eV = 1,602 x 10&supmin;¹&sup9; Joule). Oberhalb der Temperaturen (200 ºC für Silicium und 300 ºC für Galliumarsenid) kommen die Silicium und Galliumarsenid-Halbleiterbauelemente in den eigenleitenden Bereich mit großen Ladungsträgerdichten.
"Ladungsträger" bedeutet von nun an entweder Elektronen oder Löcher oder beides. Die "Ladungsträgerdichte" ist durch die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit definiert. Das Wort "eigenleitend" hat hier eine besondere Bedeutung. Es ist bekannt, daß Halbleiter in drei Arten von Halbleitern in Bezug auf die elektronische Eigenschaft eingeteilt werden: p-leitende, n-leitende und Eigenhalbleiter. Der p-leitende Halbleiter weist Löcher als Majoritätsladungsträger und Elektronen als Minoritätsladungsträger auf. Das Fermi-Niveau liegt niedriger als der Mittelpunkt zwischen dem unteren Rand des Leitungsbandes und dem oberen Rand des Valenzbandes. Zum Beispiel ist mit Bor (B) dotiertes Silicium ein p- leitender Halbleiter. Der n-leitende Halbleiter weist Elektronen als Majoritätsladungsträger und Löcher als Minoritätsladungsträger auf. Das Fermi-Niveau liegt höher als der Mittelpunkt zwischen dem unteren Rand des Leitungsbandes und dem oberen Rand des Valenzbandes. Zum Beispiel ist mit Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) dotiertes Silicium ein n-leitender Halbleiter. Der Eigenhalbleiter weist nahezu die gleiche Anzahl von Löchern und Elektronen auf, die weder Majoritätsladungsträger noch Minoritätsladungsträger genannt werden. Das Fermi-Niveau fällt mit dem Mittelpunkt zwischen dem unteren Rand des Leitungsbandes und dem oberen Rand des Valenzbandes zusammen. Trotz des Unterschieds der elektronischen Eigenschaft, hat das Produkt von Elektronendichte und Löcherdichte einen konstanten Wert, der nur von der Temperatur abhängt. Dann ist ein Fachmann für Halbleiterbauelemente sicher der Meinung, daß der Eigenhaibleiter wegen der niedrigen Ladungsträgerdichten, das heißt niedriger Elektronendichte und niedriger Löcherdichte, einen hohen Widerstand aufweist. Jedoch ist die Bedeutung des Satzes, daß der Silicium-Halbleiter in den eigenleitenden Bereich eintritt, vollkommen unterschiedlich vom praktischen Sinn des Fachmanns. Hier bedeutet der Begriff eigenleitender Bereich einen Halbleiter, der nahezu dieselben Elektronen- und Löcherdichten aufweist, wobei aber die Trägerdichten sehr hoch sind, weil die Produkte der Dichten entsprechend der Erhöhung der Temperatur ansteigen. Trotz der Ladungsträger, die von einem Donator-oder Akzeptor-Dotierstoff beliefert werden, führt die Wärmebewegung durch Anregung von Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband überwältigend viele Elektronen und Löcher zu. Daher wird die Elektronendichte und die Löcherdichte im ursprünglich n-leitenden Halbleiter und dem ursprünglich p-leitenden Halbleiter nahezu gleich. Dann wird dies durch "in den eigenleitenden Bereich oder eigenleitenden Zustand kommen" ausgedrückt. Die thermische Bewegung hebt in Silicium- oder Galliumarsenid-Halbleiterbauelementen wegen der schmalen Bandabstände (1,1 eV für Si und 1,5 eV für GaAs) die Elektronen leicht über den Bandabstand. Wenn die Halbleiterbauelemente über die kritischen Temperaturen (200 ºC für Si und 300 ºC für GaAs) erhitzt werden, können sie nicht arbeiten, da ein pn-Übergang einer Diode oder eines bipolaren Transistors den Sperrstrom nicht eindämmen kann, der vom n-leitenden Bereich in den p-leitenden Bereich fließt, und ein elektrisches Feld, das an das Gate eines FET (Feldeffekt-Transistor) angelegt wird, kann keine Sperrschicht erzeugen, in der kein Ladungsträger existiert. Alle Schichten von Halbleiterbauelementen werden Bereich niedrigen Widerstands. Größe Ströme, die in den Bauelementen fließen, erzeugen eine große Wärmemenge, die die Bauelemente in kurzer Zeit zerstört.
Außerdem nimmt, da der Integrationsgrad von integrierten Schaltkreisen aus Silicium von Jahr zu Jahr angewachsen ist, die Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit der Halbleiterbauelemente ebenfalls zu. Die großer Wärmeerzeugung, verbunden mit schlechter Wärmediffusion, würde das Bauelement über die kritische Temperatur erwärmen, die die Störung oder den Durchbruch der Bauelemente verursachen kann. Ein Verfahren zum Abbau der Wärmeerzeugung in hochintegrierten Schaltkreisen ist natürlich die Förderung der Wärmediffusion oder Kühlung mit Kühlkörpern mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Lüfter oder Wasserkühlung.
Jedoch wurde eine andere Lösung des Wärmeproblems vorgeschlagen. Die Lösung besteht darin, Halbleiterbauelemente selbst aus Diamant herzustellen. Zum Beispiel haben die japanische Offenlegungsschriften Nr.59-213126 (213126/'84) und 59-208821 (208821/'84) Diamant-Halbleiterbauelemente vorgeschlagen, die in Wärmediffusion und Wärmebeständigkeit überragen würden. Diamant hat viele Vorteile als Halbleitermaterial. Erstens ist Diamant chemisch sehr stabil. Zweitens liegt der Temperaturbereich, in dem ein p- leitender oder ein n-leitender Diamant in einen Eigenhalbeiter umgewandelt wird, wegen des breiten Bandabstandes (5,5 eV) nicht unterhalb von 1400 ºC. Unterhalb derselben Temperatur ist Diamant thermisch stabil, da er in nichtsauerstoffhaltiger Atmosphäre weder geschmolzen noch verdampft wird. Drittens besitzt Diamant eine große Wärmediffusion, da die Wärmeleitfähigkeit von Diamant 20 W/cm K beträgt, was mehr als zehnmal so groß wie diejenige von Silicium ist. Viertens ist Diamant mit hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten versehen. Bei 300 K (Kelvin: absolute Temperatur) beträgt die Elektronenbeweglichkeit 2000 cm²/Vs und die Löcherbeweglichkeit 2100 cm²/Vs. Hohe Trägerbeweglichkeit würde Hochfrequenz-Analogbauelemente oder Hochgeschwindigkeits-Logikbausteine zustande bringen. Fünftens hat Diamant eine große dielektrische Konstante K = 5,5. Sechstens ist Diamant ausgestattet mit einer hohen elektrischen Durchbruchfeldstärke EB = 5 x 10&sup6; V/cm. Daher wird angenommen, daß Halbleiterbauelemente, die in der Hitzebeständigkeit überragen, bei hohen Temperaturen unter strengen Umgebungsbedingungen arbeiten oder Ausgangssignale mit hoher elektrischer Leistung erzeugen, unter Verwendung von Diamant als Material der Halbleiterbauelemente hergestellt werden.
Vorzugsweise sollte der Diamant als Material für Halbleiterbauelemente ein Einkristall sein. Heutzutage ermöglicht uns das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) einen Diamant-Einkristall durch Plasmaanregung der Gasmischung aus Methan (CH&sub4;) und Wasserstoff (H&sub2;) mit Mikrowellen usw. auf ein Diamantsubstrat oder ein Siliciumsubstrat aufzuwachsen. Außerdem kann durch Dotierung der passenden Dotierstoffe B (Akzeptor), P (Donator) oder so während des epitaktischen Wachstums ein n-leitender oder p-leitender Diamant beliebig hergestellt werden. Ein undotierter Diamant ist ein Isolator mit hohem Widerstand.
Jedoch hängt die elektrische Eigenschaft der Diamant-Halbleiterschichten, die mit dem CVD-Verfahren hergestellt wurden, stark von der Kristallbauordnung ab. Die Kristallbauordnung bedeutet den Grad der Regelmäßigkeit des Kristallgitters. Schlechte Kristallbauordnung bedeutet den Kristallzustand mit einer hohen Dichte von Gittereffekten. Die schlechte Kristallbauordnung erniedrigt die Trägerbeweglichkeiten, da die Gitterdefekte die Ladungsträger vielfach streuen.
Besonders die mit einigen Dotierstoffen dotierte Diamantschicht leidet unter einem großen Ausmaß von Gitterdefekten stärker als die undotierte Diamantschicht. Daher treten viele parasitäre Oberfläche oder Grenzflächen-zustände aufgrund der hochbesetzten Gitterdefekte auf, wenn ein pn-Übergang von Diamantschichten oder ein Schottky-Übergang von Metall und Diamantschichten hergestellt wird, um eine Diode, einen bipolaren Transistor oder Feldeffekt-Transistoren zu erzeugen. Hier bedeutet der Oberflächen- oder Grenzflächenzustand einen Elektronen- oder Löcherzustand an der Oberfläche oder der Grenzfläche der Übergänge, an dem ein Gitterfehler ein Elektron oder Loch bei einer bestimmten Energie in der Bandlücke einfängt. In einem idealen Kristall ohne Defekte hat die Bandlücke, die als Bereich zwischen dem oberen Rand des Valenzbandes und dem unteren Rand des Leitungsbandes definiert ist, keine Elektronen- oder Löcherzustände. Dann wird die Bandlücke oft als verbotene Zone bezeichnet.
Die durch den Gitterfehler hervorgerufenen Oberflächen- oder Grenzflächen- Zustände schaffen neue Energieniveaus, die Elektronen oder Löcher in der Bandlücke besetzen können. "Oberfläche oder Grenzfläche" bedeutet, daß das Niveau in der Nähe der Grenzfläche zwischen der n-leitenden Schicht und der p- leitenden Schicht oder zwischen der Halbleiterschicht und der Metallschicht erzeugt wird. Es heißt nicht, daß das Energieniveau in der Nähe des Leitungsbandes oder in der Nähe des Valenzbandes liegt.
Je höher die Dotierstoffkonzentration wird, desto größer fließt der Sperrstrom von der n-leitenden Schicht zur p-leitenden Schicht mitten durch die Oberflächen- oder Grenzflächen-Niveaus. Daher verschlechtert starkes Dotieren durch das Auftreten von Oberflächen- oder Grenzflächen-Niveaus das Gleichrichtungsvermögen der Diode. Natürlich wird die Durchbruchspannung der Diode erniedrigt, da der Sperrstrom eine große Menge Wärme erzeugt, die in vielen Fällen den pn-Übergang oder den Schottky-Übergang unterbrechen würde.
Ein Artikel "High Temperatur Point-Contact Transistors and Schottky Diodes Formed on Synthetic Boron-Doped Diamond" in IEEE Electron Device Letters, Band EDL-8 Nr.8, August 1987, S.341-343 beschreibt eine Schottky-Diode, die eine p&spplus;-Schicht und eine p&supmin;-Schicht aufweist. Die p&supmin;-Schicht ist ein Diamantsubstrat und ist mit einem Schottky-Kontakt ausgebildet. Andere Diamant- Bauelemente werden in Japanese Journal of Applied Physics, 28, S. L2153- L2154 (1989) und Semiconductor Science and Technology, 4, S. 605-611 (1989) beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Diamant-Halbleiterbauelement bereitzustellen, das einen Schottky-Übergang mit geringem Leckstrom, hoher Durchbruchspannung und ausgezeichnetem Gleichrichtevermögen enthält. Hier besteht das Gesamte oder aktive Teile des Halbleiterbauelements aus Halbleiter-Diamant.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt mit einer p- oder n-leitenden Diamantschicht, einer undotierten oder schwach dotierten Diamant-Zwischenschicht hohen spezifischen Widerstands zwischen 10² und 10¹² Ω cm in Kontakt mit der p- oder n-leitenden Diamantschicht, wobei die Zwischenschicht 10 nm bis 100 µm dick ist, und einer Metallschicht, die in Kontakt mit der Zwischenschicht steht, wobei die Metallschicht einen Schottky- Übergang mit der Diamant-Zwischenschicht bildet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements bereitgestellt, umfassend Erzeugen einer ersten Diamantschicht, die n- oder p-leitend ist, auf der ersten Schicht erfolgendes Erzeugen einer undotierten oder schwach dotierten Diamant-Zwischenschicht hohen spezifischen Widerstandes zwischen 10² Ω cm und 10¹² Ω cm und einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 µm und Erzeugen einer Metallschicht auf der Zwischenschicht, um einen Schottky-Übergang zu erhalten.
Diese Erfindung kann natürlich auf einen Halbleiter angewendet werden, in dem der ganze Schottky-Übergang aus dem Halbleiter-Diamant besteht. Außerdem kann die Erfindung auch auf solche Halbleiter angewendet werden, in denen Teile von aktiven Schichten durch andere Halbleitermaterialien Silicium (Si), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Indiumphosphid (Inp), Zinkselenid (ZnSe), kubisches Bornitrid (c-BN) oder Siliciumcarbonat (SiC) ersetzt sind. Die aktiven Diamantschichten und die Zwischenschicht hohen Widerstands können mit dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wie vorher erwähnt hergestellt werden.
Die Funktion der Diamant-Zwischenschicht, die diese Erfindung kennzeichnet, wird im folgenden erläutert. Wie vorher erwähnt, verschlechtert das Dotieren von Dotierstoffen in dem mit CVD aufgewachsenen Diamant das Gleichrichtevermögen oder die Durchbruchspannung des Schottky-Übergangs, indem viele Gitterdefekte in die Kristallstruktur des Diamants eingebracht werden. Das Gleichrichtevermögen oder die Durchbruchspannung hängt nämlich stark von der Kristallbauordnung in der Nähe der Grenzfläche der Übergänge ab.
Wenn die Kristallbauordnung in der Nähe der Grenzfläche ausreichend gut ist, werden keine Oberflächenzustände erzeugt. Dann könnte ein Diamant- Bauelement ohne Oberflächenzustände ein gutes Gleichrichtevermögen und eine hohe Durchbruchspannung der Diode erreichen.
Da das Dotieren Kristallstörungen in den Diamant einbringt, muß ein undotierter oder schwach dotierter Diamant im Vergleich zu einem hochdotierten Halbleiter- Diamanten eine gute Kristallbauordnung besitzen. Es wird angenommen, daß der Grund dafür, warum eine Diamant-Kristallstruktur durch Dotieren so stark gestört wird, darin liegt, daß die C-C-Bindung in der Diamantstruktur zu stark ist, um einen Austausch von einem der Kohlenstoffatome durch ein anderes Element zu erlauben, und daß die ersetzte Bindung C-X (X ist kein Kohlenstoffatom) die Diamantstruktur nachfolgend nicht leicht rekonstruieren kann.
Um die durch das Dotieren verursachte Störung des Kristalls zu vermeiden, weist ein Halbleiterbauelement gemäß dieser Erfindung eine undotierte oder schwach dotierte Zwischenschicht hohen Widerstandes zwischen der Metallschicht und der dotierten Diamantschicht (p-leitend oder n-leitend) des Schottky-Übergangs auf. Die neu eingebrachte Zwischenschicht ist frei von der Störung der Gitterstruktur oder Gitterdefekten. Es gibt wenige Oberflächenzustände in der Zwischenschicht aufgrund der perfekten Gitterstruktur. Daher hält die Zwischenschicht die Ladungsträger davon ab, durch Springen auf den Oberflächenzuständen in umgekehrte Richtung zu fließen. Somit wird der Sperrstrom durch die Zwischenschicht verringert.
Obwohl die Zwischenschicht durch Unterbindung der Sprungleitung durch die ungeordneten Oberflächenzustände zu einer Abnahme des Sperrstroms und einer Erhöhung der Durchbruchspannung beiträgt, erniedrigt die Zwischenschicht auch den Durchlaßstrom aufgrund des hohen spezifischen Widerstands. Um die Abnahme des Durchlaßstromes in weitem Umfang zu vermeiden, sollte der Widerstand in einem optimalen Bereich festgelegt werden. Wenn der spezifische Widerstand hoch ist, soll die Dicke gering, oder wenn der spezifische Widerstand niedrig ist, kann die Dicke groß sein.
Jedoch ist die Zwischenschicht nicht gleichbedeutend mit einem Widerstand, der mit der Diode in Serie verbunden ist. Wenn ein Widerstand in Serie mit der Diode verbunden wäre, würde der Widerstand die Reihenwiderstände des Durchlaßstromes und des Sperrstromes erhöhen. Da der ursprüngliche Widerstand für den Sperrstrom hoch ist, würde der eingebrachte Widerstand wenig Einfluß auf den Sperrstrom haben. Jedoch würde der Durchlaßstrom stark beeinflußt, da der ursprüngliche Widerstand klein ist. Dann würde ein solcher Widerstand lediglich das Gleichrichtevermögen der Diode verschlechtern. Im Gegensatz dazu erniedrigt die Zwischenschicht der Erfindung den Sperrstrom in größerem Umfang als durch den Widerstand. Das geschieht natürlich teilweise deswegen, weil die Zwischenschicht die Sprungleitung der Ladungsträger auf den Grenzflächenzuständen wie vorhergehend erwähnt unterdrückt. Jedoch kann die Zwischenschicht der Erfindung den Sperrstrom so drastisch verringern, daß die zwei erwähnten Gründe, das heißt die hohe Leitfähigkeit und die Unterdrückung der Sprungleitung, noch ungenügend erscheinen. Möglicherweise gibt es einen anderen Grund für die Abnahme des Sperrstroms durch die Zwischenschicht.
Der dritte Grund ist nicht klar verstanden. Aber man nimmt an, daß die perfekte Gitterstruktur der Zwischenschicht die Bauordnung der Gitterstruktur der Schichten, die in Kontakt zu ihm stehen, verbessern kann. Dann kann die Zwischenschicht das Auftreten von Gitterdefekten in den dotieren (p oder n) Schichten reduzieren). Dies kann "erzwungener Ausheilungseffekt" genannt werden, da die dotierten Schichten bei hoher Temperatur durch die Zwischenschicht zwangsweise ausgeheilt oder verbessert werden. Möglicherweise kann dies das wichtigste Prinzip sein, auf dem die Erfindung aufbaut. Die p- oder n- leitende Schicht wird auf der Zwischenschicht mit einer nahezu perfekten Einkristall-Struktur epitaktisch aufgewachsen. Da das Substrat während des epitaktischen Wachstums bei hoher Temperatur gehalten wird, können Kohlenstoffatome und Dotierstoffatome leicht durch schwache Kräfte bewegt werden, da die thermische Bewegungsenergie 3 kT/2, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist, die Bindungsenergie der chemischen Bindungen überragt. Die Kohlenstoffatome und die Dotierstoffatome bewegen sich aktiv, um die freie Energie in der p-leitenden oder der n-leitenden Schicht zu erniedrigen. Da die dotierten Schichten in Kontakt mit der Zwischenschicht mit einer perfekten Diamantgitterstruktur stehen, ist der Zustand minimaler freier Energie der dotierten Schichten auch der Zustand mit einer perfekten Diamant- Gitterstruktur. Dann findet die Neuordnung der Kohlenstoffatome und der Dotierstoffatome zur Wiederherstellung einer perfekten Diamant-Gitterstruktur in den dotierten Schichten statt. Die Zwischenschicht spielt die Rolle eines Impfkristalles zur Rekristallisation von auf beiden Seiten oder auf einer Seite abgeschiedenen dotierten Schichten. Das ist vergleichbar mit dem Impfkristall bei dem Czochralski-Verfahren oder dem Bridgman-Verfahren für das Wachsen eines massiven Einkristalls. Zum Beispiel umfaßt das Czochralski-Verfahren die Schritte des Schmelzens von Material zu einer Schmelze in einem Schmelztiegel, das Eintauchen eines rotierenden Impfkristalls in die Schmelze und das Ziehen des Impfkristalls. Dann wächst ein Kristall aufbauend auf dem Impfkristall. Der Kristall wird den Impfkristall kopieren. Der gezogene Kristall ist nämlich ein Einkristall, dessen kristallographische Richtung die gleiche wie die des Impfkristalls ist.
Währen das Czochralski-Verfahren oder das Bridgman-Verfahren ein Verfahren zum Ziehen eines großen Kristalls aus der flüssigen Phase ist, ist die Epitaxie ein Verfahren zum Wachsen eines kleinen Dünnschichtkristalls aus der Gasphase. Das sind vollkommen unterschiedliche Kategorien für Kristallwachstum. Aber die Zwischenschicht der Epitaxie der Erfindung entspricht dem Impfkristall des Czochralski- oder Bridgman-Verfahrens.
Natürlich spielt im Falle der Homoepitaxie das Substrat eine ähnliche Rolle wie der Impfkristall, da das Substrat die kristallographische Richtung der Epitaxieschicht bestimmt. Außer dem Substrat bestimmt die Zwischenschicht auch die kristallographische Richtung und verbessert die Gitterstruktur der benachbarten epitaktischen Schichten.
Die Dicke der Zwischenschicht des Bauelements beträgt 10 nm bis 100 µm. Wenn die Zwischenschicht dünner als 1 nm ist, durchdringen die Ladungsträger leicht die Zwischenschicht. Dann kann die dünne Zwischenschicht den Sperrstrom nicht verhindern. Wenn die Zwischenschicht im Gegensatz dazu dicker ist als 1 mm, was länger ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger im Diamant, fließt kein Strom durch die dicke Zwischenschicht von der p-leitenden zur n- leitenden Schicht, wenn eine Durchlaßvorspannung an die Übergänge gelegt wird. Vorzugsweise sollte die Dicke der Zwischenschicht 10 nm bis 100 µm betragen.
Der spezifische Widerstand der Zwischenschicht sollte größer als 10² Ω cm sein. Die Diamantschicht mit einem geringeren Widerstand als 10² Ω cm schließt eine hohe Dichte von Gitterdefekten ein, die Oberflächenzustände für Ladungsträger verursachen. Jede Zwischenschicht mit einem Widerstand oberhalb von 10² Ω cm kann als Zwischenschicht eingesetzt werden. Jedoch muß die Dicke klein sein, falls der spezifische Widerstand groß ist, da der Widerstand der Zwischenschicht für einen Durchlaßstrom durch die Schicht klein genug sein muß. Der maximale spezifische Widerstand der mit dem CVD-Verfahren aufgewachsenen undotierten Diamantschicht beträgt 10¹² Ω cm. Dann liegt der spezifische Widerstand der Zwischenschicht der Erfindung zwischen 10² Ω cm und 10¹² Ω cm.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1(a) eine Schnittansicht des Diamant-Halbleiterbauelements der Ausführungsform 1 bei einem ersten Herstellungsschritt;
Fig. 1(b) eine Schnittansicht des Diamant-Halbleiterbauelements der Ausführungsform 1 bei einem zweiten Herstellungsschritt;
Fig. 1(c) eine Schnittansicht des Diamant-Halbleiterbauelements der Ausführungsform 1 bei einem dritten Herstellungsschritt;
Fig. 2 ein Diagramm des Spannungsstromverhältnisses der Schottky-Diode der Ausführungsform 1;
Fig. 3 ein Diagramm des Spannungsstromverhältnisses der Schottky-Diode ohne Zwischenschicht;
Fig. 4(a) eine Schnittansicht eines Diamant-Bauelements, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, bei einem ersten Herstellungsschritt;
Fig. 4(b) eine Schnittansicht des Diamant-Bauelements beim zweiten Herstellungsschritt;
Fig. 4(c) eine Schnittansicht des Diamant-Bauelements beim dritten Herstellungsschritt;
Fig. 5 eine Schnittansicht des Diamant-Bauelements der Ausführungsform 2; und
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Diamant-Bauelements, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt.

Ausführungsform 1

Eine Schottky-Diode wird auf einem Diamant-Einkristallsubstrat (1) hergestellt, das durch das Höchstdruckverfahren synthetisch erzeugt wurde. Die Größe des Substrates ist 2 mm x 1,5 mm x 0,3 mm. Die Oberfläche des Substrates ist eine (100) Ebene oder eine Ebene, die unter einem Winkel von weniger als 5º leicht schräg steht zu einer (100) Ebene. Fig. 1(a) bis (c) zeigen Schnittansichten des Bauelements bei drei Herstellungsschritten.
(1) Erstens wird eine p-leitende Diamantschicht (2) mit 1 µm Dicke durch das Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren epitaktisch auf das Diamantsubstrat (1) aufgewachsen. Die Bedingungen für das CVD-Wachstum sind:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Akzeptorgas: B&sub2;H&sub6;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 6/100
Volumenverhältnis von B&sub2;H&sub6; zu CH&sub4;: B&sub2;H&sub6;/CH&sub4; = 100 ppm
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der p-leitenden Schicht: 1 µm
Fig. 1(a) zeigt das Substrat (1), auf dem eine p-leitende Schicht (2) abgeschieden ist.
(2) Zweitens wird eine undotierte Diamant-Zwischenschicht (3) hohen Widerstands mit einer Dicke von 0,1 µm epitaktisch mit dem Mikrowellenplasma- CVD-Verfahren auf der p-leitenden Schicht (2) aufgewachsen. In diesem Fall wird Gas ohne Dotierstoffe benutzt. Die Bedingungen für das CVD- Wachstum sind:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 6/100
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der undotierten Schicht: 0,1 µm
Fig. 1(b) zeigt das Substrat (1), auf dem die pleitende Schicht (2) und die Schicht hohen Widerstands (3) abgeschieden sind. Der Widerstand der Schicht (3) ist höher als 10&sup4; Ω cm.
(3) Drittens wird eine Titanelektrode (4) mittels Aufdampfbeschichten auf die Zwischenschicht (3) hohen Widerstands als eine Ohmsche Elektrode aufgebracht. Unter "Ohmscher" Elektrode ist eine Elektrode zu verstehen, die einen Ohmschen Kontakt mit der Halbleiterschicht bildet. Der Ohmsche Kontakt ist als Kontakt definiert, der dem Ohmschen Gesetz folgt; der Strom ist proportional zur Spannung und die Proportionalitätskonstanten (Leitfähigkeit) der Durchlaßrichtung und der Sperrrichtung sind gleich.
(4) Viertens wird eine Aluminium-Elektrode (5) mittels Aufdampfbeschichten auf die Zwischenschicht (3) hohen Widerstands als Schottky-Elektrode aufgebracht. Unter "Schottky"-Elektrode ist eine Elektrode zu verstehen, die einen Schottky-Übergang mit der Halbleiterschicht bildet. Der Schottky- Übergang zwischen dem Metall und dem Halbleiter ist als Gleichrichtungsübergang definiert, durch den ein Strom in eine Richtung (Durchlaßrichtung) aber nicht in Rückrichtung (Sperrstrom) fließt.
Fig. 1(c) zeigt das Bauelement mit den Elektroden (4) und (5).
Dies ist eine Schottky-Diode der Ausführungsform 1.
Um das Gleichrichtungsvermögen der Schottky-Diode zu untersuchen, werden Durchlaßspannung oder Sperrspannung an die Schottky-Aluminium-Elektrode (4) gelegt, während die Ohmsche Titan-Elektrode (5) mit Masseniveau verbunden ist. Es wird der Durchlaßstrom gemessen, der von der Titan-Elektrode (4) zur Aluminium-Elektrode (5) fließt, wenn Durchlaßspannung angelegt wird. Die obere Kurve in Fig. 2 zeigt das Strom-Spannungs-Verhältnis in Durchlaßrichtung. An der Abszisse ist die angelegte Spannung (V) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Strom (A) aufgetragen. Der Sperrstrom, der von der Aluminium-Elektrode zur Titan-Elektrode fließt, wird ebenfalls gemessen, wenn die Sperrspannung angelegt ist. Die untere Kurve in Fig. 2 zeigt das Spannungs-Strom-Verhältnis in Sperrrichtung. Obwohl die Sperrspannung und der Sperrstrom negative Größen sind, wird das Verhältnis hier der Einfachheit halber zusammen mit dem Verhältnis in Durchlaßrichtung in Fig. 1 dargestellt. Der Sperrstrom ist klein genug. Das Gleichrichteverhältnis von Vorwärtsstrom zu Sperrstrom bei der gleichen Spannung beträgt bei der Schottky-Diode der Ausführungsform 1 etwa 10&sup4; bis 10&sup5;. Die Durchbruchspannung ist höher als 120 V. Dies ist eine gute Diode.
Für die Untersuchung des Einflusses des spezifischen Widerstands der Zwischenschicht auf das Gleichrichtungsvermögen wird auch eine andere Schottky-Diode hergestellt, in der die undotierte Zwischenschicht (3) durch eine niedrig B-dotierte Zwischenschicht (3) mit dem spezifischen Widerstand 10³ Ω cm ersetzt ist. Das Gleichrichtungsverhältnis der Diode beträgt 10&sup4;. Dies ist auch eine gute Diode. Dieses Ergebnis stellt die Effektivität der unteren Grenze des Widerstands der Zwischenschicht (3) von 10² Ω cm sicher.
Um den Einfluß der Zwischenschicht (3) hohen Widerstands abzuschätzen, wird ebenfalls eine andere Schottky-Diode ohne die Zwischenschicht (3) hergestellt. Eine Titan-Elektrode (4) und eine Aluminium-Elektrode (5) werden auf die p- leitende Schicht (2) der Diode aufgebracht. Fig. 3 zeigt das Spannungs-Strom- Verhältnis in Vorwärtsrichtung und das Spannungs-Strom-Verhältnis in Rückwärtsrichtung. Das Gleichrichtungsverhältnis von Durchlaßstrom zu Sperrstrom beträgt 10² bis 10³. In Bezug auf die Durchbruchspannung tritt der Durchbruch bei einer Sperrspannung zwischen 80 V und 90 V auf.
Eine pn-Diode, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, wird auf einem synthetisch erzeugten Diamant-Einkristall (2 mm x 1,5 mm x 0,3 mm) hergestellt. Die Herstellungsprozesse sind die gleichen wie bei Ausführungsform 1 bis zum Prozeß der Struktur, die in Fig. 1 (b) gezeigt ist. Insbesondere wurden eine B-dotierte p-leitende Schicht (2) und die Schicht (3) hohen Widerstands mittels Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren unter den gleichen Bedingungen abgeschieden.
(1) In diesem Beispiel wird weiterhin eine n-leitende Diamantschicht (6) mit dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren mit einer Dicke von 1 µm auf der Schicht (3) hohen Widerstands aufgewachsen. Die Bedingungen sind:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Donatorgas: PH&sub3;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 6/100
Volumenverhältnis von PH&sub3; zu CH&sub4;: PH&sub3;/CH&sub4; = 200 ppm
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der p-leitenden Schicht: 1 µm
Fig. 4(a) zeigt die Diamantschichten nach diesem Prozeß.
(2) Die Hälfte der Oberfläche der n-leitenden Diamantschicht (6) ist mit einer Aluminiummaske (7) bedeckt, die durch Aufdampfbeschichtung abgeschieden wurde.
(3) Unbedeckte Hälften der n-leitenden Schicht (6) und der Zwischenschicht (3) werden mit dem Verfahren des reaktiven Ionenätzens (RIE) mit Sauerstoffplasma weggeätzt.
Fig. 4(b) zeigt die Diamantschichten nach dem RIE-Prozeß.
(4) Die Aluminiummaske (7) wird durch Naßätzen entfernt.
(5) Die Ohmschen Titan-Elektroden (4) und (4) werden auf der p-leitenden Schicht (2) und der n-leitenden Schicht (6) abgeschieden. Eine pn-Diode (Fig. 4(c)) wird erlangt. Das Spannungs-Strom-Verhältnis in Vorwärtsrichtung und das Spannungs-Strom-Verhältnis in Rückwärtsrichtung werden gemessen. Die Diode zeigt ein gutes Gleichrichtungsvermögen. Das Gleichrichtungsvermögen von Durchlaßstrom zu Sperrstrom beträgt 10&sup6; bei 100 V.

Ausführungsform 2

Eine Diamant-Schottky-Diode wird auf einem p-leitenden Siliciumsubstrat (11) hergestellt. Die Größe des p-leitenden Siliciumsubstrats (11) beträgt 5 mm x 5 mm x 0,3 mm. Der spezifische Widerstand des Substrats (11) beträgt 10&supmin;² Ω cm.
(1) Erstens wird eine p-leitende Diamantschicht (12) mit einer Dicke von 1 µm mit dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren epitaktisch auf dem p-leitenden Siliciumsubstrat (11) aufgewachsen. Dies ist keine Homoepitaxie sondern Heteroepitaxie. Die Bedingungen für die Heteroepitaxie sind:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Akzeptorgas: B&sub2;H&sub6;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 1/100
Volumenverhältnis von B&sub2;H&sub6; zu CH&sub4;: B&sub2;H&sub6;/CH&sub4; = 100 ppm
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der p-leitenden Diamantschicht: 1 µm
(2) Zweitens wird eine Diamant-Zwischenschicht (13) hohen Widerstands mit einer Dicke von 0,1 µm mit dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren ohne Dotierstoffgas unter den folgenden Bedingungen epitaktisch auf der p- leitenden Diamantschicht (13) aufgewachsen:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 1/100
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der Schicht hohen Widerstands: 0,1 µm
Der spezifische Widerstand der Zwischenschicht (13) ist höher als 10&sup4; Ω cm.
(3) Eine Wolfram-Elektrode (1 5) wird auf der Diamant-Zwischenschicht (13) mittels Sputtern als Schottky-Elektrode abgeschieden.
(4) Eine Titan-Elektrode (14) wird auf dem Siliciumsubstrat (11) durch Beschichtung mittels Elektronenstrahlverdampfung als Ohmsche Elektrode abgeschieden.
Es wird eine Schottky-Diode wie in Fig. 5 gezeigt erhalten. Der Durchlaßstrom fließt von der Titan-Elektrode (14) zur Wolfram-Elektrode (15). Da der Stromfluß vertikal zum Substrat (11) und zu den Schichten (12) und (13) verläuft, ist der Durchlaßwiderstand gering. Der maximale Wechselstrom, den die Diode gleichrichten kann, liegt bei 5 A (die angelegte Spannung beträgt 200 V).

Ausführungsform 3

Eine Diamant-Schottky-Diode (Fig. 6) wird statt auf dem Siliciumsubstrat der Ausführungsform 2 auf einem Molybdänsubstrat (21) hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die Größe des Molybdänsubstrats (21) beträgt 20 mm x 20 mm x 0,2 mm. Obwohl das Substrat (21) breiter als das Siliciumsubstrat der Ausführungsform 2 ist, wird der größte Teil des Substrats (21) mit Ausnahme eines quadratischen Gebietes (5 mm x 5 mm) im Zentrum maskiert. Die Fläche des unmaskierten Gebietes ist gleich der des Substrats der Ausführungsform 2.
Eine p-leitende Diamantschicht (12) und eine Diamant-Zwischenschicht (13) hohen Widerstands werden mit dem Mikrowellenplasma-Verfahren unter den gleichen Bedingungen wie bei Ausführungsform 2 epitaktisch auf das unmaskierte Gebiet des Substrats aufgewachsen. Eine Wolfram-Elektrode (15) wird durch Sputtern als Schottky-Elektrode auf die Zwischenschicht (13) abgeschieden. Eine Titan-Elektrode (14) wird durch Beschichten mittels Elektronenstrahlverdampfung auf dem Molybdänsubstrat (21) als Ohmsche Elektrode abgeschieden.
Da das breite Molybdänsubstrat (21) als effektiver Kühler wirkt, kann die Schottky-Diode einen großen Strom gleichrichten. Der maximale Wechselstrom, den diese Diode gleichrichten kann, liegt bei 10 A (die angelegte Spannung beträgt 200 V).
Eine Diamant-Schottky-Diode mit einer dicken Zwischenschicht, die jedoch kein Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, wird auf einem Diamantsubstrat hergestellt. Das Substrat ist ein Diamant-Einkristall, der synthetisch mit dem Höchstdruckverfahren hergestellt wurde. Die Größe beträgt 2 mm x 1,5 mm x 0,3 mm, wie bei der Ausführungsform 1. Die Oberfläche ist eine (100) Ebene oder eine Ebene, die gegenüber der (100) Ebene innerhalb von 5º geneigt ist.
(1) Eine p&spplus;-leitende Diamantschicht mit einer Dicke von 100 µm wird mit dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren epitaktisch auf dem Substrat aufgewachsen unter den Bedingungen:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Akzeptorgas: B&sub2;H&sub6;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 6/100
Volumenverhältnis von B&sub2;H&sub6; zu CH&sub4;: B&sub2;H&sub6;/CH&sub4; = 1000/6 ppm
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der p&spplus;-leitenden Diamantschicht: 100 µm
Das Zeichen "p&spplus;" bedeutet, daß die Dotiermenge des Akzeptors größer als die des p-leitenden Gebietes ist, obwohl es keine absolute Grenze zwischen "p" und "p+" gibt. Die Borkonzentration in der p&spplus;-leitenden Schicht beträgt 3 x 10²&sup0; cm&supmin;³.
(2) Eine undotierte Zwischenschicht mit 800 µm Dicke wird mit dem Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren epitaktisch als Schicht hohen Widerstands auf der p&spplus;-leitenden Diamantschicht unter folgenden Bedingungen aufgewachsen:
Reaktionsgas: H&sub2;, CH&sub4;
Volumenverhältnis von Methan zu H&sub2;: CH&sub4;/H&sub2; = 6/100
Mikrowellenleistung: 300 W
Gasdruck: 40 Torr
Dicke der Diamantschicht: 800 µm
(3) Eine Titan-Elektrode wird auf der Zwischenschicht mit dem Beschichtungsverfahren der Elektronenstrahlverdampfung als Ohmsche Elektrode abgeschieden.
(4) Eine Aluminium-Elektrode wird auf der Zwischenschicht mittels Aufdampfbeschichtung als Schottky-Elektrode abgeschieden.
Die Schottky-Diode hat eine sehr dicke Zwischenschicht (800 µm) und eine dicke p&spplus;-Schicht (100 µm). Während die Titan-Elektrode mit Masse verbunden ist, werden Durchlaßspannung oder Sperrspannung an die Aluminium-Elektrode angelegt. Der Durchlaßstrom und der Sperrstrom werden gemessen. Trotz der Dicke der undotierten Schicht (800 µm), fließt der Durchlaßstrom. Das Gleichrichtungsverhältnis von Durchlaßstrom zu Sperrstrom beträgt 10&sup4; bis 10&sup5; bei der Vorspannung von 100 V. Die Durchbruchspannung beträgt 50 kV.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit

- einer p- oder n-leitenden Diamantschicht (2),

- einer undotierten oder schwach dotierten Diamant-Zwischenschicht (3) hohen spezifischen Widerstands zwischen 10² und 10¹²Ω cm in Kontakt mit der p- oder n-leitenden Diamantschicht, wobei die Zwischenschicht (3) 10 nm bis 100 µm dick ist, und

- einer Metallschicht (5), die in Kontakt mit der Zwischenschicht steht, wobei die Metallschicht einen Schottky-Übergang mit der Diamant- Zwischenschicht (3) bildet.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, mit

- einem einkristallinen Diamant-substrat (1), wobei die p- oder n-leitende Diamantschicht (2) auf dem Diamanatsubstrat und die Zwischenschicht (3) auf der p- oder n-leitenden Diamantschicht epitaktisch aufgewachsen sind,

- einer Schottky-Elektrode (5), die auf der Diamant-Zwischenschicht niedergeschlagen ist, und

- einer Ohm'schen Elektrode (4), die auf der Diamant-Zwischenschicht niedergeschlagen ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem die Schottky-Elektrode (5) eine Aluminium-Elektrode ist, und die Ohm'sche Elektrode (4) eine Titan-Elektrode.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, mit einem Substrat (1), das ein einkristallines p-leitendes Siliciumsubstrat ist, und wobei die p- oder n-leitende Diamantschicht (2) eine auf dem p- leitenden Siliciumsubstrat (1) epitaktisch aufgewachsene p-leitende Diamantschicht ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, mit einem Substrat (1), das ein Molybdän-Substrat ist, und wobei die p- oder n- leitende Schicht (2) eine auf dem Molybdän-Substrat aufgewachsene p- leitende Diamantschicht ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, umfassend

- Erzeugen einer ersten Diamantschicht (2), die n- oder p-leitend ist,

- auf der ersten Schicht (2) erfolgendes Erzeugen einer undotierten oder schwach dotierten Diamant-Zwischenschicht (3) hohen spezifischen Widerstandes zwischen 10² Ω cm und 10¹² Ω cm in einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 100 µm, und

- Erzeugen einer Metallschicht (5) auf der Zwischenschicht, um einen Schottky-Übergang zu erhalten.