Electrical contact characteristics of n-type diamond with Ti, Ni, NiSi 2, and Ni 3 P electrodes 杉井 岩井研究室 12M36240 武正敦 1
注目を集めるワイドギャップ半導体 パワーエレクトロニクス ( 半導体の電力変換分野への応用 ) に期待 ワイドギャップ半導体に注目 Properties (relative to Si) Si SiC GaN Diamond band gap E G 1 2.77 3.08 4.87 Saturation velocity v sat 1 2 2.2 >2.5 Electron mobility v e 1 0.67 0.83 3 Hole mobility v h 1 0.08 0.42 6.3 Breakdown field E C 1 8.3 6.7 33.3 Dielectric Constant e 1 0.9 0.9 0.5 Thermal conductivity k 1 3.1 0.9 13.5 Johnson FOM 1 410 790 5800 Johnson 指数 = (E c v sat / 2p) 高速 高耐電界デバイスとしての性能指数 高耐電界デバイスとしてダイヤモンドが他を圧倒 2
ダイヤモンド研究動向 (a) on/off 比 10 7-10 8 のダイヤモンド JFET (b) Diamond JFET structure with n+ side gate Schematics in (a) Top view and in (b) cross section along the dashed line in panel (a) T. Iwasaki, et al., Appl. Phys. Express 5 (2012) 091301. デバイスの提案は進んでいるが n 型ダイヤモンドに対するコンタクトに難あり p 型ダイヤモンドオーミック接触抵抗 ~10-5 Wcm 2 基板 Boron 濃度 ~10 17 cm -3 Y. Chen, et al., Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) 860-863. n 型ダイヤモンドショットキー基板 Phosphorus 濃度 over ~10 20 cm -3 n 型ダイヤモンドに対するコンタクトが課題 3
n 型ダイヤモンドのコンタクトに関する研究動向と本研究の目的 接触抵抗 E c 00 exp qh 4p q B N m e E d s 基板の高濃度ドープ化による解決が計られたが 00 M.Suzuki, phys. stat. sol. (a) 203, No. 12 (2006) アプローチ : 高濃度基板による接触抵抗低減電極構造 : Au (100 nm)/pt (30 nm)/ti (30 nm)/n-diamond 基板のP 濃度 : over ~10 20 cm -3 接触抵抗 : ~2 x 10-3 Wcm 2 ( 高バイアスでの算出 ) ( ショットキー ) H. Kato, et al., Diamond Relat. Mater. 18 (2009) 782-785. 10 20 cm -3 を超える基板は未報告 本研究の目的 n 型ダイヤモンドのコンタクトの問題に対し現状を打開する新たなアプローチを提案する 4
金属 /n 型ダイヤモンドに対する新たなアプローチの提案 metal/n-si 界面への不純物導入による実効ショットキー障壁の変調 本研究二つの独自性 1 不純物電極 / ダイヤモンド電気特性の比較 不純物電極 Ni 3 P 不純物を含まない Ti, Ni, NiSi 2 熱処理により P が拡散 Y. Tamura, et al Abstract #3122, Honolulu PRiME 2012 ダイヤモンドに導入し P による界面への影響を期待 2 Ni 3 P/diamond 界面の物理分析 Ni 3 P/n-diamond 界面の TEM 測定 オーミック実現に向け P の界面への影響を調査目標値 : C = ~10-5 Wcm 2 5
実験プロセス A diamond substrate with phosphorus concentration of 5 x 10 19 cm -3 Hot H 2 SO 4 and HNO 3 (3:1) treatment Photoresist coating and photolithography Metal deposition with RF sputtering (Ti, Ni, NiSi 2, Ni 3 P) Forming electrodes on a pattern of Circular Transmission Line Model (CTLM) by lift off process Annealing in N 2 atmosphere at a variety of temperature 洗浄温度高温化などにより本研究で改善 ダイヤモンドに対する電極形成には酸素終端化が重要 洗浄方法によるダイヤモンド表面の酸素量の違い 表 1 洗浄方法別ダイヤモンド基板上の酸素の表面被覆率 洗浄方法 SPM 0.97 Hot H 2 SO 4 & HNO 3 1.75 酸素の表面被覆 [ML] 約 2 倍! 協力 : 東京都市大学野平研究室 Measuring current-voltage characteristics and calculating contact resistance 6 Circular TLM pattern
電気特性の評価方法 metal/n-diamond のコンタクト研究における主な評価基準 ショットキーに対する TLM 適用での接触抵抗比較 線形部分より算出 d = r 2 r 1 H. Kato, et al., Diamond Relat. Mater. 18 (2009) 782-785. + 共通の評価基準として算出 評価 I-V 熱処理温度依存性による界面への影響を調査 7
Contact resistance c [Wcm 2 ] 各電極の高バイアスでの接触抵抗比較 10 10 0 10-1 10-2 0 A diamond has P density of 5 10 19 cm -3 200 TiN/NiSi 2 /n-diamond Ni 3 P/n-diamond Ti/n-diamond Ni/n-diamond 400 600 Annealing temperature T [C o ] 800 A relationship between annealing temperature and contact resistance under high bias voltage (9-10 V) 接触抵抗比較においては単原子金属が低抵抗 Ti : 800 o C のアニールで電極パターン崩壊 Ni : 最も低い接触抵抗唯一 10-1 Wcm 2 以下を記録 接触抵抗は 10-1 ~10 0 Wcm 2 付近 接触抵抗評価において Ni 3 P 電極に優位性は見られない 8
Current I ( A) Current I ( A) Current I ( A) Current I ( A) アニール温度に対する各電極の I -V 特性 12 8 4 Ti n-diamond P density of 5 x 10 19 cm -3 as deposited 200 o C 400 o C 600 o C 12 8 4 n-diamond P density of 5 x 10 19 cm -3 TiN(50nm) Si(1.9nm) /Ni(0.50nm) 16 layers as deposited 200 o C 400 o C 600 o C 800 o C 180 m m 電極サイズ V 0-10 -8-6 -4 Voltage (V) -2 0 0-10 -8-6 -4 Voltage (V) -2 0 12 Ni 12 Ni 3 P 8 4 n-diamond P density of 5 x 10 19 cm -3 as deposited 200 o C 400 o C 600 o C 800 o C 8 4 n-diamond P density of 5 x 10 19 cm -3 as deposited 200 o C 400 o C 600 o C 800 o C 0-10 -8-6 -4 Voltage (V) -2 0 0-10 -8-6 -4 Voltage V (V) -2 0 Ni 3 P 電極のみ熱処理による電流値の上昇 9
Current I ( A) 800 o C アニールによる低バイアス (0-2 V) 下の I-V 特性比較 m 0.3 P density of 5 x 10 19 cm -3 180 m 0.2 0.1 Ni 3 P/n-diamond Ni/n-diamond as deposited Ni/n-diamond TiN/NiSi 2 /n-diamond Ni, NiSi 2 に対し Ni 3 P は低バイアス下の電流値が高い ( ただし 2 V 付近より Ni as depo に抜かれる ) 0-2 -1 0 Voltage (V) P による効果であると判断 各電極 800 o C アニール + Ni as depo の I-V 特性比較 (0-2 V) 低バイアスにおける Ni 3 P の優位性を確認 800 o C 熱処理による P 起因界面反応の可能性 10
Ni 3 P/n-diamond 界面の物理分析 Ni 3 P 電極のみの現象 Ni 3 P/n-diamond 界面にグラファイトの形成を確認 Ni 3 P 電極剥離処理後の基板表面 Ni 電極ではパターンの残存はない (111) diamond 10nm RTA 800 o C 1min 10nm a = 3.35 x 10-10 m グラファイト層間隔 P 起因と考えられる 800 o C アニールでのグラファイト形成を確認 11
熱処理による Ni 3 P/n-diamond 界面の変化モデル 界面反応モデル 800 o C バンド図への影響 欠陥によるトンネル電流増? 1. 熱処理によって P がダイヤモンドに拡散 2. 拡散過程でダイヤモンドに欠陥を形成 B 変調? graphite - - - ED P 拡散 N d 増? E C E F 3. 傷を受けたダイヤモンド側界面が熱処理によりグラファイト化 n-diamond E V 4. graphite/n-diamond 接合の形成 低バイアスの電流値増加 ごく最近 共同研究先の産総研でも同様な現象が見られた 但し 界面グラファイト層の形成温度は本研究より大幅に高い 1300 o C オーミック実現へ 新たな可能性として熱処理による P 拡散と P 起因と予想される graphite/n-diamond 界面を提案 12
産総研報告の graphite/n-diamond ダイヤモンド基板上に 1300 o C 10min アニールによるグラファイト形成後コンタクト T. Matsumoto, et al., Reduction of n-type diamond contact resistance by graphite electrode, 2013. I-V characteristics of graphite electrodes I-V characteristics of graphite and Ti electrodes TEM image of graphite electrodes 産総研報告 graphite/n-diamond (P 濃度 ~10 20 cm -3 ) 接触抵抗 ~10-1 Wcm -2 (0 V 付近算出 ) d = r 2 r 1 電極パターン 本研究 800 o C アニール Ni 3 P/n-diamod (P 濃度 5 x 10 19 cm -3 ) 接触抵抗 4.8 x 10 2 Wcm 2 (0-1 V で計算 ) 我々の成果と graphite 形成 低バイアスの電流値上昇の二つの共通点がある 13
産総研報告の graphite/n-diamond との比較 本報告 産総研報告 界面に平行 Ti 界面に垂直 graphite 平坦な界面 (111) diamond 10nm 10nm P 拡散による影響 グラファイトがダイヤに進入 n-diamond RTA 800 o C 1min 1300 o C 10min グラファイトとダイヤモンドへの影響についてさらなる調査が必要 14
まとめ n 型ダイヤモンド (P 濃度 5 x 10 19 cm -3 ) に対し不純物電極 Ni 3 P を用い電気特性評価と界面の調査を行った 洗浄処理改善により 電極形成プロセスを改善 半導体プロセスに一般的である SPM 洗浄と hot H 2 SO 4 & HNO 3 処理のダイヤモンド表面の酸素量の違いを東京都市大学野平研究室の協力により明らかにした 高バイアス算出の接触抵抗の目標値は 10-5 Wcm 2 であるが 本報告の接触抵抗の値は 10-1 ~10 0 Wcm 2 であり 4~5 桁高い値 800 o C アニールによる Ni 3 P 電極の低バイアス電流値上昇を確認 Ni 3 P/n-diamond 800 o C アニールによる界面のグラファイト化を確認 熱処理による P 拡散によるものと推定 ごく最近の産総研の報告より 500 o C 低い温度 オーミック実現へ熱処理による P 拡散と P 起因と考えられる graphite/n-diamond 界面を提案 グラファイトとアプローチごとのダイヤモンド基板への影響について更なる調査が必要 15
御清聴ありがとうございました 16