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Electrical contact characteristics of n-type diamond with
Ti, Ni, NiSi2, and Ni3P 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 EG
1
2.77
3.08
4.87
Saturation velocity vsat
1
2
2.2
>2.5
Electron mobility ve
1
0.67
0.83
3
Hole mobility vh
1
0.08
0.42
6.3
Breakdown field EC
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 = (Ecvsat / 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
on/off 比 107-108のダイヤモンドJFET
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
(a)
(b)
p型ダイヤモンド
オーミック
接触抵抗 ~10-5 Wcm2
基板Boron濃度 ~1017 cm-3
Y. Chen, et al., Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) 860-863.
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.
n型ダイヤモンド
ショットキー
基板Phosphorus濃度 over ~1020 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
 c  exp qB E00 
E00
qh

4p
Nd
me s
基板の高濃度ドープ化による解決が計られたが…
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 ~1020 cm-3
1020 cm-3を超える基板は未報告
接触抵抗: ~2 x 10-3 Wcm2 （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.
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Ni3P
不純物を含まないTi, Ni, NiSi2
熱処理によりPが拡散
Y. Tamura, et al Abstract #3122, Honolulu PRiME 2012
② Ni3P／diamond界面の
物理分析
Ni3P/n-diamond界面のTEM測定
ダイヤモンドに導入し
Pによる界面への影響を期待
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 Wcm2
5
実験プロセス
A diamond substrate with
phosphorus concentration of 5 x 1019 cm-3
洗浄温度高温化などにより
本研究で改善
Hot H2SO4 and HNO3 (3:1) treatment
Photoresist coating and photolithography
Metal deposition with RF sputtering
(Ti, Ni, NiSi2, Ni3P)
Forming electrodes on a pattern of
Circular Transmission Line Model
(CTLM) by lift off process
Annealing in N2 atmosphere
at a variety of temperature
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
酸素の表面被覆 [ML]
SPM
0.97
Hot
H2SO4 & HNO3
約2倍!
1.75
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
線形部分より算出
ショットキーに対するTLM適用での
接触抵抗比較
d = r2 – r1
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 [Wcm2]
各電極の高バイアスでの接触抵抗比較
A diamond has
P density of 5×1019cm-3
10
接触抵抗比較においては
単原子金属が低抵抗
100
Ti ： 800oCのアニールで
電極パターン崩壊
TiN/NiSi2/n-diamond
Ni3P/n-diamond
Ti/n-diamond
Ni/n-diamond
10-1
10-2
0
200
400
600
Ni : 最も低い接触抵抗
唯一10-1 Wcm2以下を記録
800
Annealing temperature T [Co]
A relationship between annealing temperature and
contact resistance under high bias voltage (9-10 V)
接触抵抗は10-1~100 Wcm2付近
接触抵抗評価においてNi3P電極に優位性は見られない
8
アニール温度に対する各電極の|I|-V特性
12
Ti
・
・
n-diamond
Current |I| (A)
Current |I| (A)
n-diamond
P density of 5 x 1019cm-3
8
as deposited
200oC
400oC
600oC
4
V
P density of 5 x 1019cm-3
8
as deposited
200oC
400oC
600oC
800oC
4
180m
電極サイズ
0
0
-10
-8
-4
-6
-2
-10
0
-8
-6
12
12
Current |I| (A)
n-diamond
P density of 5 x 1019cm-3
as deposited
200oC
400oC
600oC
800oC
4
-2
0
Ni3P
Ni
8
-4
Voltage (V)
Voltage (V)
Current |I| (A)
m
TiN(50nm)
Si(1.9nm)
/Ni(0.50nm)
×16 layers
12
n-diamond
P density of 5 x 1019cm-3
8
as deposited
200oC
400oC
600oC
800oC
4
0
0
-10
-8
-6
-4
Voltage (V)
-2
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
Voltage V (V)
Ni3P電極のみ熱処理による電流値の上昇
9
800oC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
Current |I| (A)
P density of 5 x 1019cm-3
180m
Ni3P/n-diamond
Ni/n-diamond as deposited
0.2
Ni, NiSi2に対しNi3P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）
Ni/n-diamond
TiN/NiSi2/n-diamond
0.1
0
-2
-1
0
Voltage (V)
Pによる効果であると判断
各電極800oC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Ni3Pの優位性を確認
800oC熱処理によるP起因界面反応の可能性
10
Ni3P/n-diamond界面の物理分析
Ni3P/n-diamond界面に
グラファイトの形成を確認
Ni3P電極のみの現象
Ni3P電極剥離処理後の基板表面
a = 3.35 x 10-10m
(111) diamond
Ni電極ではパターン
の残存はない
10nm
RTA 800oC 1min
10nm
グラファイト層間隔
P起因と考えられる800oCアニールでのグラファイト形成を確認
11
熱処理によるNi3P/n-diamond界面の変化モデル
界面反応モデル
バンド図への影響
欠陥による
トンネル電流増 ?
800oC
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
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
4. graphite/n-diamond接合の形成
B 変調 ?
----- E
--
P拡散
EC
D
graphite
EF
Nd 増 ?
EV
n-diamond
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1300oC
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1300oC 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
graphite/n-diamond (P濃度 ~1020 cm-3)
産総研報告 接触抵抗 ~10-1 Wcm-2 (0 V付近算出)
d = r2 – r1
電極パターン
800oCアニールNi3P/n-diamod (P濃度 5 x 1019 cm-3)
本研究
接触抵抗 4.8 x 102 Wcm2（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。
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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
P拡散
による影響
(111) diamond
10nm
RTA 800oC 1min
グラファイトが
ダイヤに進入
n-diamond
10nm
1300oC 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
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まとめ
n型ダイヤモンド (P濃度 5 x 1019 cm-3) に対し不純物電極Ni3P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 H2SO4 & HNO3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 Wcm2であるが、
本報告の接触抵抗の値は10-1~100 Wcm2であり、4~5桁高い値。
800oCアニールによるNi3P電極の低バイアス電流値上昇を確認。
Ni3P/n-diamond 800oC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500oC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。
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御清聴ありがとうございました。
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