Heavily Boron-Doped CVD Diamond for Pseudo-Vertical Schottky Barrier Diodes

Abstract

Het gebruik van p-gedopeerde, synthetische diamant voor elektronica onderhevig aan hoge vermogens en frequenties is van aanzienlijk belang geweest [1]–[6]. Het succes van diamant-gebaseerde elektronica hangt af van de controle van het groeiproces voor zowel zwaar (p+) als licht (p- ) borium-gedopeerde diamant. Dit doctoraat focust zich op de verdere ontwikkeling van borium-gedopeerde diamantgroei met het oog op de realisatie van hoog-vermogen Schottky barrière dioden. Het omvat vijf hoofdstukken, gaande van de theoretische achtergrond en het groeiproces van B-gedopeerde diamant, tot de elektrische karakterisering van diamant Schottky barrière dioden. In het begin, hoofdstuk 1, wordt de vergelijking tussen diamant en zijn concurrenten besproken. Na een korte bespreking van wat er al is ontwikkeld op het gebied van diamanten vermogenselektronica, wordt er een theoretische achtergrond gegeven over Schottky-dioden. Tenslotte wordt de techniek van microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (MW PE CVD) toegelicht, samen met enkele moeilijkheden die zich voordoen bij de CVD-groei van borium-gedopeerde monokristallijne diamantfilms (SCD). In hoofdstuk 2 wordt het CVD-systeem beschreven dat tijdens dit doctoraat werd gebruikt voor de depositie van p-type diamantlagen. Vervolgens worden de belangrijkste karakterisatiemethodes voor de analyse van de gegroeide borium-gedopeerde SCD stalen beschreven, waaronder Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopie, kathodeluminescentie (CL) spectroscopie, Raman spectroscopie, Hall effect metingen, x-ray foto-elektron spectroscopie (XPS), en atomaire kracht microscopie (AFM). Hoofdstuk 3 richt zich op de optimalisatie van het groeiproces voor zowel sterk als licht borium-gedopeerde SCD lagen. Het effect van het veranderen van de methaanconcentratie in het procesgas op de oppervlaktemorfologie en boriumintegratie voor beide lagen (p+ en p- ) wordt uitgebreid onderzocht. Tenslotte worden de experimentele resultaten verkregen in dit onderzoekswerk computationeel geverifieerd door eerste principes berekeningen binnen de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). De verbeteringen hebben betrekking op de verhoging van de boorconcentratie in de p+ laag, de beheersing van het doperingsniveau in de p-laag en de verlaging van de oppervlaktedefectdichtheid in de diamantfilms, die een essentiële invloed hebben op de prestaties van de gefabriceerde Schottky-dioden. Al deze verbeteringen zijn belangrijk om een Schottky barrière diode te fabriceren die zo dicht mogelijk bij de theoretische beperkingen ligt. In het eerste deel van hoofdstuk 4 wordt het fabricageproces van diamanten Schottky-dioden uiteengezet. Dit fabricageproces bestaat uit een aantal cruciale stappen, zoals fotolithografie en etsen. Deze essentiële stappen worden toegelicht met de oplossingen die zijn gevonden om een goede Schottky diode te verkrijgen, in overeenstemming met wat in hoofdstuk 1 is besproken. In het tweede deel van hoofdstuk 4 worden de elektrische eigenschappen bij kamertemperatuur van de pseudo-verticale diamant Schottky rectifiers besproken. De invloed van verschillende B-doping niveaus in de p+ lagen op de prestaties van de Schottky barrière diodes wordt gerapporteerd en vergeleken met de theoretische waarden en recente studies. Tenslotte wordt in het laatste hoofdstuk een samenvatting gegeven van dit doctoraatswerk, samen met de vooruitzichten voor belangwekkend toekomstig onderzoek.