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

高耐電界デバイスとしてダイヤモンドが他を圧倒

注目を集めるワイドギャップ半導体

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

2

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

ダイヤモンド研究動向

3

Diamond JFET structure with n+ side gate Schematics

in (a) Top view

and in (b) cross section

along the dashed line in panel (a)

(a)

(b)

on/off 比 107-108のダイヤモンドJFET

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

n型ダイヤモンド

ショットキー

基板Phosphorus濃度 over ~1020 cm-3

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.

n型ダイヤモンドに対するコンタクトが課題

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

4

電極構造 : Au (100 nm)/Pt (30 nm)/Ti (30 nm)/n-diamond

接触抵抗: ~2 x 10-3 Wcm2 （高バイアスでの算出） （ショットキー）

基板のP濃度 ： over ~1020 cm-3

アプローチ : 高濃度基板による接触抵抗低減

H. Kato, et al., Diamond Relat. Mater. 18 (2009) 782-785.

M.Suzuki, phys. stat. sol. (a) 203, No. 12 (2006)

s

d

Bc

m

NqhE

Eq

ep

4

exp

00

00接触抵抗

基板の高濃度ドープ化による解決が計られたが…

1020 cm-3を超える基板は未報告

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

本研究の目的

5

Y. Tamura, et al Abstract #3122, Honolulu PRiME 2012

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

不純物を含まないTi, Ni, NiSi2

不純物電極Ni3P

① 不純物電極／ダイヤモンド

電気特性の比較

② Ni3P／diamond界面の

物理分析

Ni3P/n-diamond界面のTEM測定

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

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

本研究 二つの独自性

ダイヤモンドに導入し

Pによる界面への影響を期待

熱処理によりPが拡散

6

A diamond substrate with

phosphorus concentration of 5 x 1019 cm-3

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

Measuring current-voltage characteristics

and calculating contact resistance

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

1.75

協力：東京都市大学 野平研究室

洗浄方法によるダイヤモンド表面

の酸素量の違い

Circular TLM pattern

約2倍!

実験プロセス

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

7

電気特性の評価方法

ショットキーに対するTLM適用での

接触抵抗比較

d = r2 – r1

線形部分より算出

H. Kato, et al., Diamond Relat. Mater. 18 (2009) 782-785.

metal/n-diamondのコンタクト研究における

主な評価基準

+

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

接触抵抗は10-1~100 Wcm2付近

8

A relationship between annealing temperature and

contact resistance under high bias voltage (9-10 V)

10

Con

tact

resi

stan

ce

c[W

cm2]

10-1

2000

Annealing temperature T [Co]

800600400

A diamond has

P density of 5×1019cm-3

100

10-2

Ti/n-diamond

Ni/n-diamond

Ni3P/n-diamond

TiN/NiSi2/n-diamond

接触抵抗評価においてNi3P電極に優位性は見られない

Ti ： 800oC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 Wcm2以下を記録

接触抵抗比較においては

単原子金属が低抵抗

各電極の高バイアスでの接触抵抗比較

9 Ni3P電極のみ熱処理による電流値の上昇

アニール温度に対する各電極の|I|-V特性

-2 0

Voltage (V)

-6-10 -4-8

Cu

rren

t |I

| (

A)

12

0

8

4

as deposited

200oC

400oC

600oC

800oC

P density of 5 x 1019cm-3

・・n-diamond

TiN(50nm)

Si(1.9nm)

/Ni(0.50nm)

×16 layers

-2 0

Voltage V (V)

-6-10 -4-8

Cu

rren

t |I

| (

A)

12

0

8

4

as deposited

200oC

400oC

600oC

800oC

P density of 5 x 1019cm-3

Ni3P

n-diamond

-2 0

Voltage (V)

-6-10 -4-8

Cu

rren

t |I

|(

A)

12

0

8

4

as deposited

200oC

400oC

600oC

800oC

Ni

n-diamond

Ni

n-diamond

P density of 5 x 1019cm-3

-2 0

Voltage (V)

-6-10 -4-8

Cu

rren

t |I

|(

A)

12

0

8

4

as deposited

200oC

400oC

600oC

P density of 5 x 1019cm-3

Ti

n-diamond

Ti

n-diamond

180m

m

電極サイズ

V

10

各電極800oCアニール + Ni as depoの

I-V特性比較 (0-2 V)

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）

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

800oCアニールによる低バイアス (0-2 V) 下のI-V特性比較

Pによる効果であると判断

-1 0

Voltage (V)

-2

180m

m

Cu

rren

t |I

| (

A)

0.3

0

0.2

0.1

P density of 5 x 1019cm-3

Ni/n-diamond

Ni3P/n-diamond

TiN/NiSi2/n-diamond

Ni/n-diamond as deposited

10nm

(111) diamond

RTA 800oC 1min

10nm

11

Ni3P電極剥離処理後の基板表面

Ni3P電極のみの現象

a = 3.35 x 10-10m

グラファイト層間隔 Ni電極ではパターンの残存はない

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

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

12

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

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

熱処理によるNi3P/n-diamond界面の変化モデル

界面反応モデル

EV

EF

B 変調 ? EC ED

n-diamond

Nd 増 ?

- - - - - - - - -

欠陥による

トンネル電流増 ?

P拡散

graphite

バンド図への影響

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

I-V characteristics of

graphite electrodes

産総研報告のgraphite/n-diamond

13

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.

TEM image of graphite electrodes I-V characteristics of

graphite and Ti electrodes

d = r2 – r1

電極パターン

graphite/n-diamond (P濃度 ~1020 cm-3)

接触抵抗 ~10-1 Wcm-2 (0 V付近算出)

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。

800oCアニールNi3P/n-diamod (P濃度 5 x 1019 cm-3)

接触抵抗 4.8 x 102 Wcm2（0-1 Vで計算） 本研究

産総研報告

10nm

(111) diamond

RTA 800oC 1min

10nm

1300oC 10min

界面に平行

界面に垂直

平坦な界面

グラファイトが

ダイヤに進入 P拡散

による影響

産総研報告のgraphite/n-diamondとの比較

14

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

n-diamond

graphite

Ti

本報告 産総研報告

15

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

16

御清聴ありがとうございました。