Anonim

Temaer

  • Elektrisk og elektronisk prosjektering
  • Elektronikk, fotonikk og enhet fysikk

Abstrakt

Kraft-halvlederinnretninger krever lavt motstandsevne og høye sammenbruddsspenninger samtidig. Vertikalt-type metall-oksid-halvlederfelt-effekt transistorer (MOSFETer) oppfyller disse kravene, men har vært ufullstendige i diamant. Her viser vi vertikale p-kanals diamantmosfeter med grøftstrukturer og dreneringsdensiteter som tilsvarer de av n-kanalbrede bandgap-enheter for komplementære omformere. Vi bruker todimensjonale hullgasser fremkalt av atomlag avsatt Al 2 O 3 for kanal- og drivlagene, uavhengig av deres krystallretninger. Kilden og porten er på den plane overflaten, drivlaget er hovedsakelig på sideveggen og dreneringen er p + substratet. Den maksimale avløpstrømsdensiteten overskrider 200 mA mm -1 ved en 12 μm kildeavstandsavstand. På / av-forhold på over åtte størrelsesordener blir vist og dreneringsstrømmen når den nedre målgrensen i off-state ved romtemperatur ved å bruke et nitrogen-dopet n-type blokkeringslag dannet ved hjelp av ionimplantasjon og epitaksial vekst.

Introduksjon

Komplette strømomformere og omformere som består av høyspennings n-kanalfelt-effekt-transistorer (FET), som er kjent som n-FET og p-kanal FET (p-FET), vil realisere høyhastighetsoperasjon og høyeffektivitet ved å bruke enkle gatekjøringskretser. Når du bruker brede bandgap halvledere, viser imidlertid ikke høyspent p-FETs enhetsytelse som er sammenlignbar med den for n-FETs. Diamond anses å være et lovende p-FET-materiale på grunn av sin høye hullmobilitet (3800 cm 2 V -1 s -1 ) 1, Densitets 2- egenskaper med to tetthet og 2-dimensjonell hulgass (2DHG) lag 3 . 2DHG ble dannet på en hydrogenert (CH) diamantoverflate som var dekket med negativt ladede adsorbater eller filmer 4 . Bærertettheten av 2DHG-laget 5, 6 var så høyt som ~ 10 13 cm -2, og den maksimale avløpstrømsdensiteten til 2DHG-diamantmosfetene 7, 8 har blitt rapportert å være mer enn 1 A mm -1 . Passivasjon av CH-diamantoverflaten ved Al 2 O 3 atomlagsdeponering (ALD) forbedret påliteligheten av 2DHG diamant FET 9, 10 og 2DHG-laget er stabilt opp til 500 ° C når Al2O3 brukes samtidig som portisolatoren og som passivasjonslag og avsatt ved høy temperatur ALD ved 450 ° C 11 . Stabil drift av lateral-type enheter i et bredt temperaturområde 12, 13 av 10-673 K med høye nedbrytningsspenninger 13, 14 av 1500-2000 V har også blitt rapportert.

Den lavere spesifikke motstanden (gitt i enheter Ω cm 2 ) som kreves for kraftinnretninger, oppnås ved å bruke et mindre apparatområde i en horisontal struktur. En FET med en vertikal struktur reduserer sin horisontale størrelse ved vertikal utvidelse av den store drivområdet der høyspenningen påføres. Vertikale FET med grøftportene har blitt kommersialisert som kraftmosfetter i Si og SiC 15 og ble nylig utviklet i GaN 16 . Disse enhetene bruker masseledning. Selv om det todimensjonale elektrongass- (2DEG) -laget ved et GaN / AlGaN-grensesnitt har høy elektronisk mobilitet og har blitt brukt til å danne høy-elektron-mobilitetstransistorer (HEMTs), er det vanskelig å danne et 2DEG-lag i vertikal retning fordi 2DEG vises bare på (0001) GaN-overflaten. Derfor bruker GaN MOSFET i vertikaltype masseledning uten å bruke den høye mobiliteten til 2DEG driftskiktet.

2DHG-lag på diamantoverflater er fordelaktige for fremstilling av vertikal-type enheter med grøftstrukturer. 2DHG-lag kan dannes på hydrogenerte diamantoverflater uavhengig av deres krystallretninger. På grunn av den høye grøftdekning av ALD-prosessen, brukes ALD-Al 2 O 3 til portisolasjons- og passivasjonslag for 2DHG diamantmosfetter i 3D-strukturer. Diamant-laterale og vertikale 2DHG-diamantmosfetter med grøftstrukturer 17 og trippel-gatefelt-effekt transistorer 18 ble fremstilt ved bruk av induktivt koplet plasma-reaktivt ion-etsing (ICP-RIE) for å danne deres grøftstrukturer og finmønstre, og begge enheter har 3D-kanalregioner. I dette arbeidet fremstiller vi vertikale 2DHG-diamantmosfetter med grøftkonstruksjoner på høytboret dopede (p + ) enkeltkrystall diamantunderlag, og oppnår enhetsoperasjon som tilsvarer enheter av laterale strukturer med samme gate-avstandsavstand.

resultater

For å fremstille vertikale p-kanal FET-konstruksjoner med lavt hulls strømlekkasje i vertikal retning, er det nødvendig med høyt resistente n-type lag. Et nitrogen-dopet lag tilfredsstiller dette kravet fordi nitrogen er en dyp donor med aktiveringsenergi på 1, 7 eV og holder Fermi-nivået E F over det indre Fermi-nivået Ei plassert ved nesten midtpunktet for energikløft. Enkel forstørret visning av grøftpartiet er vist i figur 1 (a) og bånddiagram ved nitrogendoped lag / undoped lag / Al203 (AA 'i figur 1 (a)) og p + -type substrat / undoped lag / Al2O3 (B-B 'i figur 1 (a)) er plassert grøftstruktur vist i figur 1 (b, c). Valence band offset er 2, 9-3, 9 eV 19, 20 .

Skjematiske diagrammer av 2DHG diamond MOSFETs. ( a ) Skjematisk diagram ved grøftstruktur. ( b ) Banddiagram ved A-A 'i (a). ( c ) Banddiagram ved B-B 'i (a). ( d ) Tverrsnitt av vertikale 2DHG diamond MOSFETs med N implantert lag. ( e ) Med N-dopet epitaksialag. ( f ) Toppvisning.

Full størrelse bilde

Enhetens struktur har stor innflytelse på enhetens egenskaper. To vertikale 2DHG diamant MOSFET-strukturer er vist i tverrsnittsvisning (figur 1 (d, e)) og ovenfra (figur 1 (f)). Det vanlige aspektet ved disse to vertikale MOSFETene er 2DHG-laget som er dannet på CH-diamantoverflaten, med grøften og sidevæggen som fungerer som kanal- og drivområder. Hovedforskjellen er at to forskjellige n-type blokkerende lag ble fremstilt ved nitrogen-varmimplantasjon med høy temperatur etter-annealing etter vekst (figur 1 (d)) og nitrogeninkorporering under vekst (figur 1 (e)). Vi brukte p + diamantunderlag syntetisert ved høytrykks høy temperatur (HPHT) metoden for vertikal-type enheter med N-implantert lag, som vist i figur 1 (d), og ap + ledningsskikt deponert av mikrobølge-plasma kjemikalie dampavsetning (MPCVD) på et n-type diamant substrat (hvor laget inneholder en del av substratets bakside) for enheter med N-dopet epitaksial vekst, som vist i figur 1 (e). (Detalj av substrat som dekkes av bordotert lag er vist i tillegg 1).

Vi dannet da vellykket høykonsentrasjon (~10 19 cm -3 ) nitrogendoterte lag enten ved nitrogenjonimplantasjon i ren diamant ved høy energi (1, 7 MeV) eller nitrogeninkorporering under epitaksialvekst ved bruk av MPCVD.

Den p-typen ledende regionen var begrenset til underflaten av homoepitaxiallaget (200 nm tykk), som er vist som det lyseblå lag i figur 1 (d, e), og ble regrown etter grøftdannelse. Portlengden ble fikset til 4 μm. Grøftdypene av de to enhetene i figur 1 (d, e) ble satt til henholdsvis ~ 4 og ~ 4, 5 μm. Her definerer vi den effektive drivregionen som underflaten til det gjengjente laget, som strekker seg fra portkanten til øverste hjørne av p + -området nær grøftveggveggen, som vist i figur 1 (d). Lengdene fra portkanten til grøftens inngang og fra inngangen til p + øverste hjørne var henholdsvis 3 μm og 2 μm. Derfor var den totale driftslaglengden mellom porten og avløpet ~ 5 μm. Avstanden fra p + øverste hjørnet til grøftbunnen er overlappedybden (~ 2 μm) av 2DHG-laget med p + -regionen og er tilstrekkelig for hullledning fra 2DHG til p + -regionen. 2DHG kanalbredden (WG i figur 1 (f)) ble fikset til 25 μm.

Strømspenningsegenskaper

Begge typer vertikaltype 2DHG diamantmosfetter produsert i denne studien viste strømspenningsegenskaper som er sammenlignbare med de av laterale type diamantmosfetter. Figur 2 (a, b) viser to typiske drenningskildestrøm ( I DS ) versus dreneringsspenningsegenskaper for de to vertikale 2DHG-diamantmosfettene over et spekter av gatekildespenning ( V GS ) fra - 4 til 26 V med spenningstrinn på 2 V. Dens strømdensiteter ved en V DS på -10 V er 48, 9 mA mm -1 (med N-implantert lag) og 36, 7 mA mm -1 (med N-dopet epitaksialag), henholdsvis. Den maksimale felteffektmobilitet og spesifikke motstandsverdier for disse MOSFETene er henholdsvis 98 cm 2 V -1 s -1 og 31 mΩ cm 2 og 74 cm 2 V -1 s -1 og 41 mΩ cm 2 . Fordi vi bare brukte kildeelektroden til venstre for I - V målinger, tok vi et enhetlig horisontalt område som tilsvarer halvlengden mellom de to kildeelektroder som er sammensatt av overflatekanalen og drivområdet ( L SG + L G + L GT + L T / 2 = 15 μm i figur 1 (f)) med kanalbredden ( W G = 25 μm) for å beregne den spesifikke motstanden. Kilde-til-kilde lengden ( L SS ) vil bli redusert i nær fremtid ved nedgraving av grøften med en faktor på 10. Figur 2 (c) viser videre I DS - V DS egenskaper for V DS som varierer fra 0 til - 50 V og V GS varierer fra -20 til 28 V med spenningstrinn på 4 V. I DS av den vertikale enheten med N-implantert lag øker med stigende V DS og den målte dreneringsstrøm tettheten er 234 mA mm -1 ved en V DS på -50 V. Maksimal strøm tetthet er den høyeste rapportert i vertikaltype diamond MOSFETs og er sammenlignbar med den for laterale type 2DHG diamond MOSFETs med en lignende gate-drain lengde ( L GD ) og samme ALD -Al 2 O 3 samtidig gateisolator og passivasjonslag. Dreneringsstrømmen ( I DS ) øker med økende dreneringsspenning ( V DS ) fra 10 V til 40 V. Ved V DS- verdier på mer enn 40 V er I DS nesten mettet.

I-V egenskaper av begge typer vertikalt-type 2DHG diamond MOSFETs. I - V egenskaper. ( a ) I DS - V DS egenskaper av vertikal type enhet med N implantert lag. V DS spenner opp til -10 V og V GS varierer fra -4 V til 26 V i trinn på 2 V. ( b ) Med N-dopet epitaksialag. ( c ) Med N implantert lag. V DS varierer opptil -50 V og V GS varierer fra -20 V til 28 V i trinn på 4 V. ( d ) I DS - V GS egenskaper av vertikal type enhet med N implantert lag ved V DS på -10 V. ( e ) Med N-dopet epitaksialag. (f) I DS - V DS egenskaper av vertikal type enhet med N implantert lag ved romtemperatur (RT). ( g ) ved 200 ° C.

Full størrelse bilde

Figur 2 (d, e) viser I DS - V GS karakteristika ved en V DS på -10 V. Terskelspenningsverdiene ( V th ) for de to enhetstypene ble bestemt ut fra I DS - V GS karakteristikkene som skal være 23, 2 V (med N-implantert lag) og 23, 0 V (med N-dopet epitaksialt lag), og disse verdiene ligger nær det for en lateral type CH-diamant MOSFET med samme gateoksydtykkelse. Disse vertikale type 2DHG diamond MOSFET har normalt-på egenskaper, som er vanlig generelt 2DHG diamond MOSFETs med Al 2 O 3 gate isolatorer. 2DHG-laget er indusert av de negative ladningene i ALD-Al 2 O 3 -filmen 21 nær grensesnittet, selv ved en V GS på 0 V. Dreneringsstrømmen ble styrt godt ved hjelp av gateforspenningen på en måte som ligner den av lateral -type 2DHG diamond MOSFETs. Dette betyr også at det 300 nm tykke nitrogen-dopede epitaksialaget eller 50 nm tykt nitrogenimplantert lag effektivt blokkerer substratlekkstrømmen som strømmer direkte fra overflaten under kildeelektroden mot dreneringselektroden i vinkelrett retning.

Temperaturegenskaper

Sammenligning av I DS - V GS egenskaper ved ulike temperaturer gir videre innsikt i enhetens drift. Figur 2 (f, g) viser enheten I DS - V DS karakteristika ved romtemperatur (RT) og 200 ° C. I DS - V- kjennetegnene til enheten med N-dopet epitaksialag ved RT opptil 300 ° C, vises DS - V- DS egenskaper ved hjelp av N-implantert lag ved 100 ° C og 300 ° C. Maksimal strømtetthet ved V DS og V GS- verdier på -50 V og -20 V var 212 mA mm -1 ved både RT og 200 ° C. For drift ved RT og ved 200 ° C ble off-state oppnådd ved V GS- verdier under henholdsvis 24 V og 36 V. Portspenningen som kreves for å slå av enheten øker med økende temperatur, men endringen i gjeldende tetthet med økende temperatur er liten.

Denne enheten opererer med et høyt på / av-forhold ved temperaturer under 200 ° C. Figur 3 (a) viser de logaritmiske I DS - V GS egenskapene til to vertikale 2DHG diamond MOSFETer i området fra RT til 300 ° C. Egenskapene til enheter av vertikal type med N-implantert lag og N-dopede epitaksiale lag uttrykkes ved hjelp av åpne symboler og lukkede symboler. I off-state (over 25 V) var jeg ca. 10 -10 A mm -1 for RT-drift, og på / av-forholdet på denne enheten var mer enn åtte størrelsesordener i begge vertikaltype enheter; Disse verdiene er sammenlignbare med de for enheter av lateral type (vist i figur 3 (b)). Ved RT og 150 ° C nådde avløpsstrømmen den nedre målgrensen, og på / av-forholdene var henholdsvis ca. åtte og syv størrelsesordener i begge enheter. Sammenlignet med RT-operasjon, trengte V GS å nå nedre grense skiftet til positive verdier ved 100 ° C og 150 ° C. Økningen i lekkasjestrømmen er bemerkelsesverdig ved temperaturer over 150 ° C. Ved 300 ° C faller avløpsstrømmen av portspenningen, og på / av-forholdene for vertikal-type enheter med N-implanterte og N-dopede epitaksiale lag var omtrent en og tre størrelsesordener, hvilket indikerer at dette enheten vil ikke fungere skikkelig ved høyere temperaturer (over 300 ° C). Ved 200 ° C økte lekkasjestrømmen sammenlignet med den ved RT, men på / av-forholdet var fortsatt høyt som omtrent fem størrelsesordener, og enheten ble slått av ved en V GS på 36 V (figur 2 (g) ). Figur 2 (g) og 3 (a) viser at denne anordningen kan fungere skikkelig ved temperaturer under 200 ° C og endringen i enhetsegenskapene mellom RT og 150 ° C er meget liten.

Temperaturavhengighet av I DS - V GS egenskaper og drenering av dagens tetthet av vertikale og laterale enheter. ( a ) I DS - V GS egenskaper ved V DS på -10 V fra romtemperatur opp til 300 ° C. Egenskapene til den vertikale typen med N-implantert lag uttrykkes ved bruk av åpne symboler, og de av anordninger med N-dopede epitaksiale lag uttrykkes ved hjelp av lukkede symboler. ( b ) av enhet for lateral type ( c ) Strømtheter i de to vertikaltypene ved V DS på -50 V og V GS på -20 V fra romtemperatur opp til 300 ° C.

Full størrelse bilde

Økningen i lekkasjestrømmen for disse vertikale CH-diamantmOSFETene startet ved relativt lave temperaturer sammenlignet med de laterale typen CH-diamantmosfetter vist i figur 3 (b). Sidetypene kunne fungere riktig ved 300 ° C og hadde fortsatt et svært høyt på / av-forhold på omtrent syv størrelsesordener (se figur 3 (b)). Dette resultatet indikerer at vi selv kan oppnå avstanden til 2DHG-laget ved 300 ° C, og den høye lekkasjestrømmen for vertikal-typen i området fra 200-300 ° C stammer fra bulkledning fremfor overflateledningen lag. Den lave strømtetthetsavhengigheten av V GS ved 300 ° C viser at lekkasjestrømmen strømmer i substratet i vinkelrett retning, og det nitrogen-dopede laget virket således ikke som lekkasjeblokkerende lag ved høye temperaturer. Imidlertid kan dette laget blokkere lekkasjestrømmene ved temperaturer under 200 ° C, til tross for at det er veldig tynt (~ 50 nm).

Figur 3 (c) viser de maksimale strømtettheter av seks enheter (tre enheter av hver type) i området fra RT-300 ° C. De nåværende tettheter av enhetene med de N-implanterte lagene ved en V DS på -50 V varierte fra 197 til 235 mA mm -1 ved RT og variasjonen av disse verdiene fra gjennomsnittsverdien varierte fra ca. 10% til 15%. Denne variasjonen er forårsaket av overflaten av trench sidevegget, som er avhengig av plasma-etseprosessen, slik at effekten av variasjonen på både hullmobilitet og nåværende tetthet er signifikant. Maksimal strømtetthet forblir svært stabil fra RT til 200 ° C og gjennomsnittlig maksimale strømtettheter for de tre enhetene ved RT og 200 ° C var henholdsvis 220 og 217 mA mm -1 . Ved 300 ° C, mens gjennomsnittlig maksimal strømtetthet falt med ~ 15% til 187 mA mm -1 fra det ved RT, var avviket av maksimal strømtetthet ved ca. 7% mellom enheter mindre enn ved RT. Dette resultatet indikerer at strømmen ikke bare strømmer gjennom overflaten 2DHG-laget, men også gjennom substratet som en lekkasjestrøm. Fordi den nåværende tetthetsavviket er forårsaket av grøftoverflateforholdene og det avtar ved høyere temperaturer, må strømmen strømme via en annen bane som ikke påvirkes av overflatebetingelser, som for eksempel massen. De nåværende tettheter av vertikal-type enheter med N-dopede epitaksiale lag varierte fra 156 mA mm -1 til 191 mA mm -1 ved RT og fra 116 mA mm -1 til 132 mA mm -1 ved 300 ° C. Ved 300 ° C, reduserte den gjennomsnittlige strømtettheten med ~ 30%. Den nåværende tettheten avtar med økende temperatur i begge vertikaltype enheter. Hastigheten ved hvilken den nåværende tettheten avtar i enheter av vertikal type med N-dopede epitaksiale lag, er lavere enn den for vertikal-type enheter med N-implantert lag. Imidlertid forblir den nåværende tettheten stabil over et bredt temperaturområde sammenlignet med det for krysset FET 22 og det for en metall-halvleder FET (MESFET) 23 med en boredopad kanal. Denne forskjellen i gjeldende tetthetsendring mellom de to vertikaltype enhetene skyldes lekkasjestrømsforskjeller ved høye temperaturer (dvs. over 300 ° C).

Analyse via simuleringer

Operasjonell simulering av de laterale 2DHG diamond MOSFETene har blitt utført basert på den todimensjonale negativt ladede arkmodellen hvor 2DHG ble realisert og den målte DS - V DS- kurven ble reprodusert godt 13 . Ladestikkmodellen brukes ofte til å simulere AlGaN / GaN FET med 2DEG for kanaler og kan tilpasses til simulering av enhetskarakteristikkene til 2DHG diamond MOSFETs. For de vertikaltype enhetene som behandles her, er hovedforskjellen hulltransporten som oppstår fra 2DHG-drivområdet til p + avløpsområdet. Figur 4 (a) viser I DS - V DS karakteristikkene fra både måleresultatene og de simulerte resultatene for V DS i området fra 0 V til 10 V. I figur 4 (a) er de målte I DS - V DS egenskaper vist som åpne tomter, og simuleringsresultatene vises som solide linjer. Det foreslås at overflatevilkårene i grøften, som for grøftens sidevegg og bunn, ikke er de samme som overflatene utenfor grøften, slik at vi varierte hullbærers mobilitet i hver region. Den optimale negative belastningsarealens tetthet er fast ved -6, 7 × 10 12 cm -2 og hullkanalmobiliteten basert på lavfelt mobilitetsmodell i sidekanal og den vertikale kanalen i grøftstrukturen er 95 cm 2 V -1 s - 1 og 43 cm 2 V -1 s -1, henholdsvis. De målte I D - V DS egenskaper ble gjengitt godt når mobiliteten i den vertikale kanalen i grøftstrukturen ble redusert sammenlignet med den for sidekanalregionen. Disse resultatene viser at transportørens mobilitet for den vertikale kanalen var lavere enn den for sidekanalen som et resultat av plasmaetsingen, men det var fortsatt et tilstrekkelig nivå for kanalen til å fungere som et 2DHG-lag. Skaden som ble forårsaket av grøftfremstillingsprosessen ved bruk av ICP-RIE, ble dekket av gjenvekst av et 200 nm tykt, undoped lag.

Jeg DS - V DS egenskaper og total strøm tettheter bestemt av simuleringer basert på den todimensjonale negativt ladede arkmodellen. ( a ) I DS - V DS egenskaper av målt (plott) og simulert (solid linje) resultat enhet med N implantert lag. ( b ) Total gjeldende tetthet og hulkonsentrasjon på venstre side av grøft (angitt med prikket linje). ( c ) I DS - V DS egenskaper av vertikal type enhet uten det nitrogen-dopede blokkeringslaget bestemt ved simuleringer. ( d ) Tverrsnitt, total strømtetthet og hullkoncentrasjon av vertikal type enhet bruk for ( c ).

Full størrelse bilde

Strømmen i vertikaltype 2DHG diamantmosfeter ble også simulert. Figur 4 (b) viser et tverrsnitt av den vertikale typen innretning sammen med den totale strømtetthet og hullkoncentrasjonen på den venstre side av grøften (indikert med stiplede linjer) ved en V DS på -10 V og en V GS på -4 V i simuleringene. Den ødelagte linjen på høyre side av figuren indikerer grensen mellom p + -type diamant substratet og det undoped lag. Den venstre og den nederste siden av den ødelagte linjen indikerer p + -type diamant substrat. Den firkantede boksdelen som er plassert sidelengs i det undoprettede lag, tilsvarer regionen der nitrogen-ioner ble implantert ved høy temperatur med en akselerasjonsenergi på 1, 7 MeV. Grøftstrukturen til denne enheten kom inn i diametersubstratet p + -type til en dybde på ca. 2 μm og strømmen strømmer i det 200 nm tykke, regrode, undopedlag på p + -type-substratet. Hull er indusert i det 200 nm tykke, regroderte, undopedlag på p + substratet, og strømmen fra 2DHG-laget til p + -regionen er høyere i den øvre delen enn i bunnen av grøften. Figur 4 (b) viser at grøftstrukturen som er fremstilt i diamant-substratet p + -type, påvirkes av forbedringen i gjeldende tetthet og strømmen kan strømme gjennom det tynne nominelt undopedlag, som er tykk nok til å danne et 2DHG-lag. I laget er nitrogendensiteten lav (<10 16 cm -3 ), men overskrider borets tetthet (~ 10 14 cm -3 ). Dermed er det oppnådde 2DHG et inversjonslag. Fra fig. 4 (b) strømmer strømmen ikke i det meste av det undoprettede lag som ble avsatt på diametertypen p + -type uten gjenvekningslaget og 2DHG-laget. Resultater av simulering av gjeldende tetthet indikerer at grøftbunnlengden ikke påvirker avløpstrømsdensiteten, som er lav, og vi kan nedskalere grøftlengden til å være så kort som 1 um uten å redusere avløpstrømsdensiteten. Enhetssimulering av vertikal type enhet med N-dopet epitaksialag og uten overlappende område er vist i tillegg 4.

For å bekrefte betydningen av virkningen av det nitrogenimplanterte laget som et lekkasjeblokkende lag, ble I DS - V DS karakteristika av en vertikal type enhet uten det nitrogendopede lag simulert som vist i figur 4 (c). Mens maksimal strøm tetthet er 72, 6 mA mm -1 ved en V DS på -10 V og en V GS på -4 V, er denne verdien ca. 50% høyere enn den for enheten med det nitrogen-dopede laget produsert ved ionimplantasjon ; Imidlertid slår enheten uten det nitrogenimplanterte laget seg av, selv ved en V GS på 26 V, som er et tilstrekkelig gate spenningsnivå for å slå av enhetene med de nitrogen-dopede blokkeringslagene. Den venstre side av figur 4 (d) viser et tverrsnitt av den vertikale typen anordning uten det nitrogen-dopede lag som ble brukt til simuleringen. Den totale strømtettheten og hullkoncentrasjonen for denne typen enhet (omgitt av den stiplede linjen) er vist på høyre side av figur 4 (d). Strømmen strømmer direkte fra kildeelektroden til avløpet gjennom det undoprettede lag i retning vinkelrett på substratet. Disse to mønstrene i simuleringsresultatene viser at det nitrogen-dopede n-typen laget spiller en betydelig rolle i blokkering av lekkasjestrømmer.

Fordelingskarakteristikker

Figur 5 (a, b) viser sammenbruddskarakteristikkene og I DS - V DS- egenskapene til begge typer vertikale CH-diamantmosfetter. Avspenningsspenningen ( VB ) av anordningen med N-implantert lag, som ble bestemt fra figur 5 (a), var 249 V og avløpstrømsdensiteten var 193 mA mm -1 ved en V DS på -50 V. Fordelingskarakteristikaene ble målt ved en V GS på 35 V, som er en tilstrekkelig spenning for å slå denne enheten av. Avspenningsspenningen ( VB ) av anordningen med de N-dopede epitaksialagene som bestemt fra figur 5 (b) var 359 V og dreneringsstrømdensiteten var 170 mA mm -1 ved en V DS på -50 V. Dette nedbrytingsspenning er mer enn 100 V høyere enn den forrige enheten med samme effektive driftområde (~ 5 μm).

Fordelingskarakteristikker og elektrisk feltfordeling ved simulering av vertikaltype 2DHG diamond MOSFETs. ( a ) Fordelingskarakteristikker og I DS - V DS egenskaper til vertikalt type 2DHG diamant MOSFETer med N implantert lag. Avspenningsspenningen ( V B ) er 249 V og dreneringsstrømens tetthet ( I DS ) er 193 mA mm -1 . ( b ) Med N-dopet epitaksialag. V B er 359 V og I DS er 170 mA mm -1 . ( c ) Fordelingskarakteristikker for begge typer vertikal type enhet på en semilogaritmisk skala. Jeg DS og I GS vises med henholdsvis lukkede symboler og åpne symboler. ( d ) Elektriske feltfordeling av de to vertikaltype enhetene ved det undoped og nitrogen-dopte lag / gjenget undoped laggrensesnitt langs grøftens sidevegg ved simulering.

Full størrelse bilde

Figur 5 (c) viser sammenbruddskarakteristikkene for begge vertikal-type enheter på en semilogaritmisk skala. I figuren vises dreneringsstrømmen ( I DS ) ved hjelp av lukkede symboler, og portstrømmen ( I GS ) vises ved hjelp av åpne symboler for begge enhetstyper. I begge enheter er I DS- verdiene så lave som den nedre grensen til de målte verdiene ved en V DS på -50 V, men strømmen øker ved V DS på mer enn -50 V og denne økningen blir merkbar når V DS overstiger -150 V i enheten med N-implantert lag. I kontrast, i anordningen med det N-dopede epitaksialag, holdes strømningsdensiteten til en verdi nær den nedre målegrensen ved en V- dc på mindre enn -200 V, som ligger nær nedbrytningsspenningen til ionet -implantert enhet. Lekkasjestrømmen øker med økende dreneringsspenning, men hastigheten ved hvilken den øker er lavere enn den i enheten med N-implantert lag. Disse resultatene viser at det tykkere nitrogen-dopede laget reduserer lekkasjestrømmen i høydreneringsspenningsområdet.

Den totale effektive driftlaglengden var ~ 5 μm i begge type innretninger. De gjennomsnittlige elektriske feltstyrker som ble beregnet ved hjelp av disse verdiene, var 0, 5 og 0, 7 MV cm -1 for begge typer enheter, og disse verdiene er lavere enn for CH-MOSFETs 13 -typen av lateral type. Den reduserte sammenbruddspenningen skyldes den individuelle strukturen av vertikale typen CH diamond MOSFETs. Figur 5 (d) viser apparatets elektriske feltstyrker med N-implantert lag og anordningen med det N-dopede epitaksialaget ved det undopedlag og ved det tynne nitrogen-dopede lag / regrown-undoped laggrensesnitt ved V DS av - 250 V og V GS på 26 V. Resultater av elektrisk felt simulering av begge typer enheter er vist i tillegg 5. I enheten med N-implantert lag ligger toppen av elektrisk feltstyrke 1, 2 μm fra overflaten ved 50 -nm-tykt nitrogen-dopet lag / regrown undoped laggrensesnitt og den lokaliserte elektriske feltstyrken er høyere enn 10 MV cm -1 ved V DS på -250 V. I enheten med det N-dopede epitaksialaget, er toppen av elektrisk feltet er også plassert ved det nitrogen-dopede lag / gjenget, ikke-lagret laggrensesnitt. Imidlertid er det lokaliserte elektriske feltet ~ 8 MV cm -1, som er lavere enn det for den tidligere enheten med tynt nitrogen-dopet lag. Forskjellen i det elektriske feltet og nedbrytningsspenningen forårsaket av tykkelsen og plasseringen av det nitrogen-dopede lag er konsistent. Et tynnere nitrogen-dopet lag gir en høy elektrisk feltkonsentrasjon og et 2DHG-lag mellom portkanten og grøften, og grøftens sidevegg spiller ikke en rolle som et drivlag. I sidetype-enheter er toppelektrisk felt plassert i nærheten av portkanten, men i vertikaltype-enheter er det høyeste elektriske feltpunktet ikke ved portkanten, men ved det nitrogen-dopede lag / regrown undoped laggrensesnitt. Det nitrogen-dopede laget er nødvendig for å blokkere lekkasjestrømmen som strømmer i retningen vinkelrett på diamantsubstratet, og den elektriske feltfordeling er avhengig av tilstanden til det nitrogen-dopede lag. Derfor er det nitrogen-dopede laget svært viktig, ikke bare ved blokkering av lekkasjestrømmen, men også når det gjelder enhetens nedbrytningsegenskaper.

Det er to kildeelektroder som ligger på begge sider av grøftstrukturen i de fremstilte vertikale CH-diamantmosfetene. Figur 6 (a, b, c) viser I DS - V DS egenskaper av vertikale CH diamantmosfeter med N-implantert lag ved bruk av kun venstre elektrode, kun høyre elektrode og bruk av begge sidelektroder, henholdsvis. Dreneringsstrøm tettheten er normalisert ved kanalbredde ( W G ) på 25 μm. Den maksimale avløpstrømsdensiteten til den vertikale typen er 245 mA mm -1 ved bruk av kun venstre elektrode og 220 mA mm -1 ved bruk av kun høyre elektrode. Forskjellen i avløpstrømsdensiteten er forårsaket av trench sideveggets tilstand og den lille forskyvningen av kildeelektrodposisjonen i forhold til grøftstrukturen. Den maksimale avløpstrømsdensiteten til den vertikale typen når begge sidekildeelektroder brukes, er 444 mA mm -1 . I dette tilfellet er den maksimale strømtettheten litt lavere enn den totale strømtettheten ved bruk av hver sidekildeelektrode alene. Overlappingen av kanalområdet ved grøftbunnen forårsaker reduksjonen i gjeldende tetthet. Imidlertid er avløpsstrømmen for vertikal-typenheten ved bruk av begge sidelektroder nær den totale dreneringsstrømmen ved bruk av den venstre eller høyre side-kildeelektroden, fordi drenestrømmen hovedsakelig strømmer gjennom det gjengede, undoprettede lag ved grøften veggen. Sideväggslengden for begge vertikale CH-diamantmosfetter er 10 μm og gjeldende tetthet når den er standardisert med hensyn til kanalområdet, er ~ 1500 A cm -2 og denne verdien er høyere enn diamantforbindelsen FET (JFET) 20 . I DS - V DS egenskaper som er standardisert etter kanalområde, vises i tillegg 6. I den vertikale typen CH diamant MOSFET presentert her, er både den brede grøftstrukturen og drivområdet på underlagsflaten unødvendig fordi alle drivstrømmen passerer gjennom sidevegg og ikke bunnen av grøften, som vist i figur 4 (b). Den horisontale delen av enheten kan reduseres til omtrent en fjerdedel av den eksisterende størrelsen ved å fabrikere gateelektroden i grøftstrukturen og redusere sideveggavstanden, og den standardiserte strømtettheten vil være over 5000 A cm -2 .

Sammenligning av I DS - V DS egenskaper av vertikale type 2DHG diamond MOSFETs med N implantert lag ved hjelp av en eller begge sidekilde elektroder. ( a ) I DS - V DS egenskaper av vertikal type enhet med N implantert lag ved bruk av venstre side kildeelektrode. ( b ) Bruk av høyre side kildeelektrode. ( c ) Bruk begge sider kildeelektroder.

Full størrelse bilde

Sammendrag

Vi har produsert vertikale 2DHG diamantmosfeter med nitrogendopede blokkeringslag dannet ved enten ionimplantasjon eller epitaksial vekst med maksimale strømtettheter (henholdsvis 234 mA mm -1 og 191 mA mm -1 ved V DS på -50 V og V GS på -20 V) og et on / off-forhold (~ 10 8 ) som var sammenlignbare med de av innretninger av lateral type ved romtemperatur. I grøftstrukturen strømmer strømmen i 2DHG-laget av det tynne, undoprettede laget og p + -type diamant substratet. Fra I DS - V DS karakteristikkene til disse to enhetstypene, er den spesifikke motstanden til den vertikale typen, sammenlignbar med den for en type enhet. Resultatene som er rapportert her viser derfor at tilstanden til trench sideveggoverflaten er nær substratoverflaten, og det omtrent 200 nm tykke, ikke-lagde lag er ikke høyt resistivt. I DS - V GS- egenskapene og på / av-forholdet viser at strømmen strømmer i 2DHG-laget, og det nitrogen-dopede laget blokkerer substratets lekkasjestrømbrønn.

metoder

I denne rapporten brukte vi ap + -type HPHT (001) enkeltkrystallinsk diamantsubstrat til å fremstille hydrogen-terminerte diamantmosfetter med vertikal type med N-implantert lag. For den vertikale enheten med det N-dopede epitaksialaget, brukte vi n-type diamant dekket med et borndoppet lag. Borkonsentrasjonen av p + -type-diamanten var 10 19 -10 20 cm -3, så vi anser dette substratet som en del av avløpet. I utgangspunktet avsatte vi for et apparat med N-implantert lag et 2, 0 μm tykt, uopptatt epitaksialag for å utvikle et drivlag ved mikrobølge-plasma-kjemisk dampavsetning (MPCVD) på p + -type diamant substrat. Vektetemperaturen, tiden og kammertrykket for det uoprettede epitaksiale lag var henholdsvis 600 ° C, 15 h 20 min og 35 Torr. H2, CH4 og CO2-strømningshastighetene var henholdsvis 394, 3 og 3 sccm. Et ytterligere n-type diamantlag ble fremstilt ved 1, 7 MeV varm implantasjon av nitrogen-ioner. Temperaturen under implantasjon og fluens var henholdsvis 800 ° C og 2 × 10 14 cm -2 . Fra stopp og rekkevidde av ioner i materiell (SRIM) simuleringer ble et nitrogen-dopet n-type diamantlag produsert i en dybde på ca. 1 μm fra substratoverflaten og nitrogenkonsentrasjonen var ~ 10 19 cm -3 . Det nitrogen-ionimplanterte laget tykk var ca. 50 nm. (dopingsprofil av SRIM er vist i tillegg 2) Etter nitrogenjonimplantasjon ble diamantsubstratet annealed ved 1500 ° C i 2 timer. Kammertrykket var 1 atm og atmosfæren var Ar. For anordning med N-dopet epitaksialt lag avsatte vi ikke-dopet og nitrogen-dopet epitaksialag på substrat av n-type som var dekket av borndoppet lag. Vektetemperaturen, tiden og kammertrykket for det uoprettede epitaksiale laget var henholdsvis 600 ° C, 13 timer og 35 Torr. H2, CH4 og CO2-strømningshastighetene var henholdsvis 394, 3 og 3 sccm. Vektetemperaturen, tiden og kammertrykket for det nitrogen-dopede epitaksialaget var henholdsvis 600 ° C, 6 timer og 35 Torr. H2, CH4, CO2 og N2 strømningshastigheter var henholdsvis 393, 3, 3 og 1 sccm.

For å fremstille grøftstrukturen ble PMGI-SF5 / TSMR-V90-CP27-positive fotoresist-bilayers belagt sekventielt på diamantsubstratet ved bruk av en rotasjonsbelegger og eksponert ved bruk av et fotolitografisystem. Baketemperaturen og -tider for PMGI-SF5- og TSMR-V90-CP27-lagene var 180 ° C og henholdsvis 5 min og 90 ° C og 1, 5 min. MgO ble avsatt ved bruk av et dual ion beam sputtering system (DIBS) som en maske for ICP-RIE prosessen. MgO-lagtykkelsen var 150 nm. Grøftstrukturen ble fremstilt av ICP-RIE ved bruk av O 2 gassplasma. Gasstrømmen, etsekraften og gastrykket var henholdsvis 90 sccm, 400 W og 0, 5 Pa. Grøftdybden og lengden ( L T ) var henholdsvis 4 μm og 10 μm. MgO ble fjernet ved anvendelse av en blandet syreoppløsning (HNO3 og H2S04 med et volumforhold på 1: 3).

Et ytterligere undoped lag ble avsatt av MPCVD for å dekke hele overflaten, inkludert grøftstrukturen, og danne 2DHG-kanalen. Vektetemperaturen og kammertrykket var det samme som verdiene gitt ovenfor. H2, CH4 og CO2-strømningshastighetene var henholdsvis 400, 0, 4 og 0, 4 sccm. Veksttiden var 5 timer, og den ufortjente lagtykkelsen var 200 nm. Ti / Au strukturer ble avsatt på diamant substratet på begge sider av grøften for å fungere som kildeelektroder ved elektronstråle (EB) fordampning. Tykkelsene av Ti- og Au-lagene var henholdsvis 30 nm og 100 nm. Kildelektrodmønsteret ble dannet ved fotolithografi og vi brukte TSMR-V90-CP27 positiv fotoresist. For å danne TiC ble prøven annealed ved 500 ° C i 30 minutter. For å indusere 2DHG-laget ble hydrogen avslutning utført over hele substratoverflaten ved bruk av fjernt hydrogenplasma. Plasmaffekten, plasmattemperaturen, kammertrykket og avstanden mellom prøven og sonden var henholdsvis 70 W, 620 ° C, 20 Torr og 50 mm. H2-gasstrømmen var 100 sccm. Substratoverflaten uten kanalområdet, men innbefattet grøftstrukturen, ble oksygenterminert ved bruk av en oksygenplasabehandling for isolering. Plasmaffekten og behandlingstiden var henholdsvis 300 W og 2 min. Vi brukte TSMR-V90-CP27 positiv type resist som en maske for isolasjon. Et 200 nm tykt Al203-lag ble avsatt av ALD for å fungere som et portisolasjons- og passiveringslag for hydrogenterminering ved 450 ° C hvor oksidanten var H20. For å utsette kildeelektroder ble substratet belagt med et resistlag sammen med isolasjonsprosessmasken og de 200 nm tykke Al203-lagene uten motstandsbelegg ble våttetket ved anvendelse av en 2, 38% tetrametylammoniumhydroksyd (TMAH) -løsning. Ti / Au-lag ble avsatt på baksiden av diamantsubstratet for å fungere som dreneringselektroder med Ion Beam Sputtering-systemet. Tykkelsene av Ti- og Au-lagene var henholdsvis 10 nm og 250 nm. Gateelektrodermønsteret ble fremstilt ved fotolithografi under de samme betingelser som ble brukt til å danne MgO maske mønsteret. Al ble avsatt ved bruk av et termisk fordampningssystem og Al-lagtykkelsen var 100 nm. I dette arbeidet ble portelektroder dannet mellom grøftstrukturen og de to sider av kildeelektroder.

bekreftelser

Dette arbeidet ble støttet av JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (S) Grant-nummer JP26220903, NIMS Nanofabrication Platform i nanoteknologi Platform Project sponset av Ministry of Education, Culture, Science and Technology (MEXT), Japan og Project of Creation av Life Innovation Materials for Tverrfaglig og Internasjonal Forskerutvikling av MEXT.

Elektronisk tilleggsmateriale

  1. Tilleggsinformasjon

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar, godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe fornærmende eller som ikke overholder våre vilkår eller retningslinjer, merk det som upassende.

Anbefalt Redaksjonens