金刚石是一种具有最高导热率的超宽带半导体，是一种具有传递热量能力的材料。由于这些特性，金刚石半导体器件可以在比硅等传统半导体材料更高的电压和电流下工作（使用更少的材料），并且仍然散热而不会导致电气性能下降。

“要拥有一个需要高电流和高电压的电网来提高太阳能电池板和风力涡轮机等应用的效率，那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地，”Bayram说。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起，但钻石可以在实验室中更经济、更可持续地制造，从而使其成为可行且重要的半导体替代品。天然钻石是在地球表面深处在巨大的压力和热量下形成的，但由于它本质上只是碳（含量丰富），因此合成钻石可以在数周而不是数十亿年的时间内制成，同时它还可以减少 100 的碳排放 次。

在这项工作中，Bayram 和 Han 展示了他们的金刚石装置可以承受大约 5 kV 的高电压，尽管电压受到测量设置而不是装置本身的限制。理论上，该器件可承受高达9kV的电压。这是金刚石装置报告的最高电压。除了最高的击穿电压外，该器件还表现出最低的漏电流，可以被认为是一个具有能量的漏水水龙头。漏电流影响器件的整体效率和可靠性。

Han说：“我们制造了一种更适合未来电网和其他电力应用中的高功率、高电压应用的电子设备。” “我们在超宽带隙材料合成金刚石上构建了该设备，这有望提高效率。” 以及更好的性能。” “性能比当前一代的设备更好。希望我们能够继续优化该设备和其他配置，以便我们能够接近金刚石材料潜力的性能极限。”

以下为论文原文 ：

具有高击穿电压的金刚石p型横向肖特基势垒二极管（0.01mA/Mm时为 4612V）：

金刚石是一种新兴的高功率电子半导体，具有大带隙（EG，5.47 eV）、大临界电场（EB，10 – 20 MV/cm）、高载流子迁移率（μ，高达 2100 cm2⋅V− 1⋅ s−1 对于低掺杂浓度 (<1015 cm−3)) 和高导热率 (k, 22 - 24 W⋅ cm−1⋅K−1 ) 的空穴 [1]。p 型硼掺杂剂相对较低的活化能（0.38 eV，而 n 型磷为 0.57 eV）以及 CVD 生长的硼掺杂金刚石的成熟促使 p 型金刚石肖特基二极管用于研究 [2] 和高临界领域 7.7 MV/cm [3] 和 2.5 kV [4] 的击穿电压已在垂直或伪垂直配置中得到证实。在这些器件中提高击穿电压需要增加漂移层厚度 [5]，这对实验生长具有挑战性 [6]、[7]，并且蚀刻得更深，这会产生加工问题 [8]。将金刚石 SBD 缩放到更高电压的一种方法是使用其横向配置，其中击穿电压通过调整阳极和阴极之间的距离来缩放，而不需要厚的漂移层。

在这篇文中，报道了通过接触再生和边缘终止技术实现的具有高击穿电压 (4612 V) 的金刚石 p 型横向肖特基势垒二极管 (SBD)。使用热电子发射模型和 Mott-Gurney 关系研究正向 I-V 特性。使用 Synopsys 的 Sentaurus TCAD 软件在反向偏压下模拟 SBD，以研究场板结构的影响。仿真预测，添加场板后峰值电场会显着降低，这与实验测量的有或没有场板的二极管的击穿性能一致。最后，横向 SBD 在比导通电阻 (RON) 和击穿电压 (Vbr) 方面与之前报道的金刚石功率器件进行了基准测试。

器件制造：

图1显示了金刚石p型横向SBD的外延（通过微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD））和洁净室微加工工艺流程。首先，在 3×3 mm2 Ib (100) 型高压高温 (HPHT) 金刚石基板上生长 2μmp− 漂移层 ([B] <8×1015 cm−3])。使用光学轮廓测定法测量外延层的RMS表面粗糙度为7.5nm。然后，选择性生长200 nm p+金刚石（[B]~3×1020 cm-3]）以形成欧姆接触区。通过电子束蒸发 Ti (30 nm)/Pt (30 nm)/Au (100 nm) 形成欧姆金属接触，然后在 Ar 气体环境中在 450 °C 下热退火 50 分钟。欧姆接触的比接触电阻通过 TLM 测量确定，测量结果为 1.25 ±0.98×10−4Ω -cm2。接下来，通过电子束蒸发沉积 300 nm Al2O3 场板，然后进行剥离工艺。选择 Al2O3 作为场氧化物是因为它相对于金刚石具有较高的介电常数（对于沉积的 Al2O3，k=8.63 ± 0.07），这会降低氧端接金刚石的电场强度和较大的能带偏移 [9]， [10]。在肖特基接触沉积之前，暴露的金刚石表面在室温下经过臭氧处理 1.5 小时以获得稳定的氧终止[11]。Mo (50 nm) / Pt (50 nm) / Au (100 nm) 的肖特基金属叠层通过电子束蒸发沉积。Al2O3 场板的内半径和外半径分别为 40 μm 和 80 μm。肖特基接触的半径为60μm，欧姆接触和肖特基接触之间的间距为d=80μm。带有场板的圆形结构金刚石p型横向SBD的俯视显微镜图像如图1（f）所示。

图1：金刚石横向 SBD 的外延和洁净室微加工步骤 (a)p-漂移层外延生长；(b)p+ 接触层选择性生长；(c)欧姆接触沉积；(d)Al2O3场板形成；(e) 肖特基接触沉积；(f) 使用视场板制造的金刚石横向 SBD 的俯视显微镜图像。

结果与讨论：

图 2(a) 显示了室温下带有和不带有 Al2O3 场板的金刚石 p 型横向 SBD 的半对数和线性（插图）J-V 曲线。没有场板的SBD具有相同的肖特基到欧姆距离d=80μm，并且肖特基接触半径与Al2O3场板的内半径相同。两个二极管在 +/-5 V 范围内的整流比均为 107。对于带场板和不带场板的 SBD，40 V 正向偏置下的线性电流密度分别为 0.049 mA/mm 和 0.044 mA/mm。SBD 在进行高温和击穿测量之前经过多次重新处理，并在正向 J-V 特性中表现出良好的再现性。对于具有和不具有 FP 的 SBD，四个制造批次之间在 40 V 正向偏压下的正向电流密度的最大差异分别为 15% 和 6%。零偏压下的肖特基势垒高度 (SBH) 使用热电子发射模型根据正向 J-V 曲线的对数线性区域进行拟合来估计：

其中 JS 、 A* 、 T 、 n 、 q 、 phiB 和 kB 是反向饱和电流密度、理查森常数（金刚石 [12] 为 90 A cm−2 K2）、绝对温度、理想因子、基本电荷、SBH 和 分别为玻尔兹曼常数。带和不带场板的 SBD 提取的理想因子分别为 4.77 和 3.71。根据四个制造的 SBD 的配件估算的 SBH 为 1.02 ± 0.01 eV。SBH 与先前报道的横向器件中的其他钼金刚石肖特基接触非常一致 [13]。

图 2：(a)室温 (RT) 下，带和不带场板 (FP) 的金刚石横向 SBD 的正向J -V 特性，以半对数和（插图）线性标度表示；虚线表示计算出的空间电荷限制传导 (SCLC) J -V 关系。(b) 200 °C 时，带和不带 FP 的金刚石横向 SBD 的正向J -V 特性，采用半对数和（插图）线性标度。

图 2(a) 还绘制了所制造的二极管中 10 – 40V 正向电压下计算的空间电荷限制传导 (SCLC) 电流密度。由于掺杂剂在室温下不完全电离，漂移区的活性空穴浓度估计低于1014 cm−3。随着施加的正向偏压增加，注入电荷在漂移区累积，电荷中性不再保持，SCLC 开始占主导地位 [14]。对于轻掺杂半导体，SCLC 由 Mott-Gurney 关系描述：

其中 J 、 ϵr 、 ϵ0 、 μ 、 V 和 d 分别是电流密度、相对介电常数、自由空间介电常数、载流子迁移率、漂移区两端的电压和漂移区的长度。计算出的 SCLC 电流与测量数据非常一致。在 200 °C 时，大多数受体被电离，并且带和不带场板的 SBD 在 40 V 正向偏压下的线性电流密度分别显着增加至 5.39 mA/mm 和 5.09 mA/mm，如图 2(b) 所示 。

图3显示了有和没有场板的SBD的反向漏电J-V特性。在反向测量过程中，将金刚石晶片浸没在 3M™Fluorinert™电子液体中，以防止空气击穿。当泄漏电流急剧增加至 50 μA 的合规极限时，不带场板的横向 SBD 在 1159 V 时击穿。第一次击穿后，反向电流密度在低反向偏压下增加，这证实了泄漏路径的产生。测量后未发现肖特基触点有任何物理损坏。然而，重复的击穿测量表明击穿电压有所下降。带有场板的 SBD 表现出高达 4612 V 的稳定漏电流，这是 Fluorinert™ 电子液体的极限。4612V反向偏压下的漏电流密度小于0.01mA/mm，与击穿前没有场板的SBD相似。相对较高的稳定漏电流可归因于外延生长的漂移层的高表面粗糙度（RMS粗糙度= 7.5 nm），这是由粗抛光和随机生长缺陷引起的。

图 3：带和不带 FP 的金刚石横向 SBD 的室温反向漏电J -V 特性。

图 4 显示了在 3 kV 反向偏置电压下，在有和没有场板的情况下，横向 SBD 沿距金刚石-肖特基接触界面 0.1 μm 处的虚线切割线模拟的水平电场强度。Synopsys Sentaurus TCAD 软件用于研究 Al2O3 场板的影响。结合了经验迁移率模型 [15]、Overstraeten 和 Man [16] 模型的碰撞电离系数、掺杂剂的不完全电离以及由于镜像力导致的肖特基势垒降低。在电场拥挤严重的金属-半导体界面附近的漂移区域检查电场强度。仿真预测，添加 300 nm 厚的 Al2O3 场板后，肖特基接触边缘附近的峰值电场将减少 56%。

图 4：沿着虚线切割线的模拟水平电场强度0.1微米_  远离金刚石-肖特基接触界面，用于在 3 kV 反向偏压下带或不带 FP 的横向 SBD。

图 5 显示了特定导通电阻 (RON) 与击穿电压 (Vbr) 的基准在室温下。这项工作表现出比先前报道的伪垂直和垂直 SBD、横向 MESFET、MOSFET 和 JEFT 更高的击穿电压。

图 5：所制造的横向 SBD 与之前报道的金刚石功率器件（包括横向 MESFET、MOSFET 和Jet FET，以及室温下的伪垂直和垂直 SBD）进行比较的基准。括号中显示了报告击穿时的漏电流。

对于带场板和不带场板的 SBD，比导通电阻分别归一化为 527 Ω -cm2 和 534 Ω -cm2。RON 值比最先进的伪垂直和垂直 SBD 高 3 到 4 个数量级。考虑到欧姆接触的低比接触电阻 (1.25 ±0.98×10−4Ω -cm2)，较大的 RON 可归因于空间电荷限制传导 (SCLC) 以及与 p− 漂移层相关的空间电荷区域。n型Ib型金刚石基板，可减少电流传导的活性层厚度。可以通过研究漂移层厚度和掺杂来优化 RON。较厚的沟道可以增加线性电流密度[20]，从而降低 RON。还可以增加漂移层掺杂浓度以克服 SCLC 并允许更短的漂移层。

结论：总而言之，报告了带有和不带有 Al2O3 场板的金刚石 p 型横向 SBD。在室温下，二极管的整流比为 107，在 40 V 正向偏压下，正向电流密度为 0.049（带场板）和 0.044（无场板）mA/mm。具体导通电阻为 534（无场板）和 527（有场板）Ω -cm2。在反向偏压下，两个二极管在击穿前的漏电流密度均低于 0.01 mA/mm。Al2O3 场板将击穿电压从 1159 V 提高到 4612 V，并且对 I-V 行为没有明显影响。使用 Synopsys 的 Sentaurus 软件通过 TCAD 模拟研究了 Al2O3 场板的影响，该软件预测在 3 kV 反向偏压下使用 Al2O3 场板时峰值电场强度会降低 56%。最后，提出了横向 SBD 在比导通电阻与击穿电压方面的基准。击穿电压是迄今为止 p 型金刚石肖特基二极管中最高的击穿电压之一。然而，需要进一步优化漂移层厚度和掺杂浓度，以降低 RON 并更接近金刚石的材料极限。

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