(57)【要約】  導電チャネルとして１ｃｍ3 当たり少なくとも約１０20原子のホウ素を有するナノ結晶質ダイヤモンドからなる、導電性のｐチャネルダイヤモンド格子電界効果トランジスタ（ＤＬＦＥＴ）が、その製造方法とともに開示される。このナノ結晶質ダイヤモンドは、ＤＬＦＥＴの性能を改善するため、１μｍ未満の直径の平均粒子サイズ径、および、特に、１０〜２０ｎｍオーダーの粒子サイズを有することによって特徴づけられる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも約１０20原子／ｃｍ3 の濃度で、ホウ素でドープされた多結晶質ダイヤモンド導電チャネルを含み、
前記多結晶質ダイヤモンド導電性チャネルは、平均粒子サイズが１μｍより小さいものである、電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ナノ結晶質ダイヤモンドは、最大約１００ｎｍの平均粒子サイズを有する、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記ナノ結晶質ダイヤモンドは、低損失誘電性材料基板の上に配置されている、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項４】
約２５℃で少なくとも約１Ｗ／ｍｍの高周波（ＲＦ）出力電力を有する、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項５】
少なくとも約１０Ｗ／ｍｍのＲＦ出力電力を有する請求項４に記載のトランジスタ。
【請求項６】
少なくとも約２０Ｗ／ｍｍのＲＦ出力電力を有する請求項４に記載のトランジスタ。
【請求項７】
前記多結晶質ダイヤモンド導電チャネルにおけるホウ素濃度が、少なくとも約１０21原子／ｃｍ3 である、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項８】
前記多結晶質ダイヤモンド導電チャネルにおけるホウ素濃度が、少なくとも約１０22原子／ｃｍ3 である、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項９】
前記多結晶質ダイヤモンド導電チャネルにおけるホウ素濃度が、少なくとも約１０23原子／ｃｍ3 である、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項１０】
第一の固有ダイヤモンド層、ｎ型不純物でドープされたアルミニウムで形成された遮蔽層、第二の固有ダイヤモンド層、および第三の固有ダイヤモンド層をさらに含み、前記第二および前記第三の固有ダイヤモンド層の間に前記多結晶質ダイヤモンド導電チャネルが配置されている、請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項１１】
ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を含み、前記ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極の少なくとも一つが、配置されている、請求項１０に記載のトランジスタ。
【請求項１２】
電界効果トランジスタのソースおよびドレインの間で、トランジスタゲートの下に伸びる、ナノ結晶質Ｐチャネルダイヤモンド格子領域を形成するために、ホウ素でナノ結晶質ダイヤモンド領域をドーピングすることを含み、
前記ナノ結晶質Ｐチャネルダイヤモンド格子領域におけるホウ素は、少なくとも約１０20原子／ｃｍ3 の濃度であり、
前記ドーピングはイオン注入により構成されている、ナノ結晶質Ｐチャネルダイヤモンド格子電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記ナノ結晶質ダイヤモンド領域は薄層である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記イオン注入は、少なくとも約１ＭｅＶの堆積エネルギーを用いて構成されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ドーピングは、最大約７７Ｋの温度で実行されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、前記ナノ結晶質Ｐチャネルダイヤモンド格子領域のアニーリングを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記アニーリングは、前記ナノ結晶質ダイヤモンド領域をレーザー処理する構成となっている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザー処理は、Ｑスイッチレーザーを用いる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザー処理は、ＹＡＧレーザーを用いる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザー処理は、１ナノ秒から約１０ナノ秒のパルスで前記レーザーをパルスするよう構成されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記アニール処理は、高圧高温アニール処理を適用する構成となっている、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
ナノ結晶質領域は、膜基板である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記膜基板は、塩化ナトリウム中に入れられている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記アニール処理は、さらに、黒鉛ヒータを用いる構成となっている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記高圧高温アニール処理は、キュービックアンビル型高圧発生装置を用いる構成となっている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、化学酸素処理を用いて前記トランジスタを絶縁する処理を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２７】
前記化学酸素処理は、酸性溶液に前記トランジスタを接触させる構成となっている、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記酸性溶液は、硫酸、硝酸、またはその混合物とする構成となっている、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、フォトリソグラフィを用いて前記トランジスタをマスクすることにより、少なくとも１つのオーム接触を規定する構成となっている、請求項１２に記載の方法。
【請求項３０】
前記オーム接触は、金、ニッケル、およびその合金からなるグループから選択される金属で構成されている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
さらに、前記トランジスタにゲートをエッチングする構成となっており、前記ゲートはリセスである、請求項１２に記載の方法。
【請求項３２】
前記エッチングは、反応性イオンエッチングとして構成されている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ゲートは、ｎ型アルミニウムとして構成されている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
さらに、前記ｎ型アルミニウムを堆積するために窒素を用いる構成となっている、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００６年８月１１日にファイルされた米国仮出願番号６０／８３７，０１４の利益を主張するものであり、この中の全体を参照することに基づいている。
【０００２】
本願は、半導体回路素子を形成する技術全般に関し、特に、ドープされたダイヤモンド層の回路素子を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
適切な電子素材としてのダイヤモンドの使用は長年達成されていない。この問題は、合成であろうと天然であろうとダイヤモンドそのものと、ダイヤモンドの処理に用いられる方法との双方に存在する。例えば、周辺温度または室温で作動するダイヤモンドベースのデバイスを製造するには、その周辺温度の導電性、および、キャリアの移動性が十分に高くなるような、ダイヤモンドを形成することが特に難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイヤモンドベースのパワーＲＦ（高周波）ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の処理および製造方法が提案されている。より優れた熱伝導率および高い絶縁破壊電圧は、ダイヤモンドを高いパワーエレクトロニクスとして魅力的なものとなっている。残念ながら、今まで技術的に適切なドナーは存在しなかった。それゆえ、全てのデバイスは、今まで、水素表面終端に起因するｐ型導電率に基づいて説明されていた（これは、浅いアクセプタ状態に起因するダイヤモンド表面において、非常に薄い導電層の原因となっていて、いまだ化学的に特定されていない）。それゆえ、ダイヤモンドＦＥＴｓの活性チャネルは、以前から、水素表面終端によって理解されている。それにも関わらず、前記チャネルはその表面に局在し、Ｈ誘導アクセプタレベルの安定性はいまだ問題になっているという事実により、トランジスタ特性は安定せず、大きな信号および電力性能は報告されていない。さらに、このような方法は、貧弱なキャリア移動特性および限定された粒子断面を有する、単結晶質ダイヤモンド、あるいは、現状で望ましいトランジスタサイズおよび限定されたキャリア移動の粒子サイズにとっては、粒子サイズが大きすぎる多結晶ダイヤモンドのいずれにおいても、関心が持たれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記従来技術の欠点への対応として、本願は、ナノメーターサイズ粒子を有し、１００ｎｍ未満オーダーでのサイズを有する、ドープされた薄膜層となっている多結晶質ダイヤモンドを用いて構成されるデバイスを提供する。このような構造を形成する技術は、ほぼ原子的に急峻な（−０．５ｎｍ）ダイヤモンド粒子の境界を有する高周波（ＲＦ）ＦＥＴデバイスを形成するために利用することができ、それによって、薄膜特性を形成する能力と同等に電気的性能のさらなる均一性を可能とする。ＲＦ  ＦＥＴデバイスは、優れた電子的、熱的、およびＲＦ特性を示し、第一に新たなパワー個別素子の開発に特に適用できる。特に、本願は、ナノメーターおよびサブ−ナノメーター多結晶質ダイヤモンド、例えば、最大約１００ｎｍの平均粒子サイズを有するダイヤモンド膜を用いるようなＲＦ  ＦＥＴデバイスを加工する方法を提供する。
【０００６】
それゆえ、ここで述べられたさまざまな技術は、トランジスタの導電チャネルにおけるホウ素が少なくとも約１０20原子／ｃｍ3 （またＥ２０原子／ｃｍ3 と記述される）のドーパント濃度を有する、導電性ナノ結晶質ｐチャネルダイヤモンド格子電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）提供する。いくつかの実施の形態において、ドーパント濃度は、Ｅ２１原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２２原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２３原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２４原子／ｃｍ3 以上、およびＥ２５原子／ｃｍ3 以上となっている。さまざまな実施の形態において、多結晶質ダイヤモンドの粒子サイズは、約１ｎｍから約１５ｎｍの範囲となっている。さまざまな実施の形態において、約２５℃での高周波出力が、少なくとも約１Ｗ／ｍｍ、特に、少なくとも約１０Ｗ／ｍｍ、および、いくつかの実施例において、少なくとも約２０Ｗ／ｍｍとなってよいことが結果として生じている。
【０００７】
さまざまな技術は、トランジスタの導電チャネルにおいて、少なくとも約１０20原子／ｃｍ3 の濃度を有するように、ホウ素でドープされた多結晶質ダイヤモンドを含む。このドーピングは、例えば、最大約７７Ｋの温度で、実例的な手段としては、イオン注入プロセスにより実行されてよい。いくつかの実施例では、イオン注入は、ＭｅＶエネルギー源、一般的には、約１ＭｅＶから約２０ＭｅＶを用いて実行されることができる。さまざまな実施例において、本方法は、さらに、前記ダイヤモンドのアニーリングを含み、このアニーリングは、薄膜としてのダイヤモンド基板成長において実行されることができるものである。いくつかの実施例では、このアニーリングプロセスは、レーザー処理を用いて達成されよいが、他の実施例では、高圧高温アニーリングによって達成されてよい。レーザー処理を用いる実施の形態では、このレーザーは、ＱスイッチレーザーまたはＹＡＧレーザーであればよく、このレーザー処理は、約１ナノ秒（ｎｓ）から約５０ｎｓの範囲でのレーザーでのパルス処理より構成することができる。高圧高温アニーリングを用いる実施の形態では、このアニーリングは、黒鉛ヒータおよび／またはキュービックアンビル型高圧発生装置により、実行することができる。いくつかの特別な事例では、膜基板は、塩化ナトリウムのブロック内に入れられている。本方法は、さらに、例えば、硫酸、硝酸またはこれらの混合物などの酸性溶液にトランジスタを接触させる等のように、化学的酸素処理を用いたトランジスタの絶縁を含んでよい。いくつかの実施の形態では、本方法は、さらに、フォトリソグラフィを通してトランジスタをマスクすることによって、少なくとも一つのオーム接触を規定することを含んでおり、このオーム接触は、ニッケル、金、またはこれらの合金等の素材からなっていればよい。さまざまな実施の形態では、本方法は、さらに、イオンエッチングまたは他のプロセスによる、トランジスタへのリセス形成ゲートをエッチングすることも含み、そして、ゲートの形成は、アルミニウムまたは他のｎ型ドーパントとなっているｎ型バッファ領域を含む。
【０００８】
本発明は、確実に新規な特徴と下記の全体的な記述の部分の組合せとからなり、添付の図面において説明され、そして、付加された請求項で特に指摘され、その詳細におけるさまざまな変更は、その精神から外れることなく、また、本発明のどのような利益を放棄することない限り行われてよいと理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の理解を容易にする目的で、ここに、その選ばれた実施の形態を、添付の図面において説明し、その閲覧から、以下の説明、本発明、その構成および実行に関連して、検討され、ならびに、その多くの有利な点は、たやすく理解および認識されるであろう。
【図１】図１は、この例示に従う、高濃度ドープｐチャネルダイヤモンド領域で形成された、一実施例の電子デバイス（例えばトランジスタ）の上面図である。
【図２】図２は、この例示に従う、高濃度ドープｐチャネルダイヤモンド領域で形成された、一実施例の電子デバイス（例えばトランジスタ）の部分側面図である。
【図３】図３は、さまざまな温度および圧力でのカーボンの相図を示し、斜線領域は、好ましい圧力の範囲を示し、Ａ、ＢおよびＣは、これら動作圧で、カーボンが、それぞれダイヤモンド、黒鉛、および液体として存在する温度を指す。
【図４】図４は、この一実施例に従う、ｐチャネルダイヤモンド領域を有するトランジスタのＲＦ特性のプロットを表し、ＭＡＧは最大有能ゲインであり、ＭＵＧは最大一方向ゲインである。
【図５】図５は、この一実施例に従う、ｐチャネルダイヤモンド領域を有するトランジスタのドレイン電流対ドレイン電圧のグラフを表す。
【図６】図６は、この一実施例に従うｐチャネルダイヤモンド領域を有するトランジスタのＲＦゲイン対ＲＦ周波数のプロットを表す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以前から、ダイヤモンドは、ワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体市場の中で、その可能性の点からみれば、実質的に未開発となっている。表１は、他の半導体プラットフォームと比較したダイヤモンドの可能性を表す（オズピネシ（Ozpineci）他、「パワー電子応用技術のためのワイドバンドギャップ半導体の比較」、文献番号ＯＲＮＬ／ＴＭ−２００３／２５７、２００３年１２月１２日、www.ntis.gov/support/ordernowabout.htmのエネルギー報告部門で利用できる）。全ての分野を問わず、ダイヤモンドは、いくつかの桁において高い性能指数を有す。本願は、ユニポーラデバイスのプラットフォーム（すなわちＦＥＴ）のためのプラットフォームとしてダイヤモンドを用いるための技術を記載しており、他の電子、半導体デバイスに用いるよう拡張される。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
図１は、ソース１０２とドレイン１０４の間に広がる、高ドーパント濃度ダイヤモンドキャリアチャネルを形成するＦＥＴ１００の上面図を表す。図１の上面図に示すように、高ドーパントチャネルは、ダイヤモンド基板１０６に形成され、そして、図２の前面図には、ダイヤモンド基板１０６に形成される多層膜を示す。ダイヤモンド基板１０６は、成長ウエハ１０８上に形成され、これは、石英、バイコー、パイレックス（登録商標）、炭化ケイ素、溶融石英、または同種のもの等の低損失誘電性材料で形成されている。前記多結晶質ダイヤモンド基板１０６は、前記ウエハ１０８の上に堆積されてよい。ｎ型低損失材料上での前記堆積は、ＲＦ性能（例えば、低リーク）の改善を可能とし、前記トランジスタの障壁層を与える。低損失素材は、低損失正接とシリコンのそれ未満の誘電損失と有する素材である。
【００１３】
前記ソース１０２およびドレイン１０４は、金（Ａｕ）または他の適切な金属で形成され、図に示すように、前記ダイヤモンド基板１０６のそのリセス部の中へ上面から下に伸びている。ゲート１１０は、またアルミニウム（Ａｌ）で形成され、また前記ダイヤモンド基板１０６の上面からリセスの中へ伸びる。前記ゲート１１０は、前記ソース１０２およびドレイン１０４の間に広がっているｐチャネル領域１１４からキャリアが流出することに対して保護している干渉領域を形成するために、窒化アルミニウム（Ａｌx Ｎy）等のｎ型不純物で軽くドープされた下位部分１１２を含む。
【００１４】
前記ダイヤモンド基板１０６は、デルタチャネルと称する、高濃度ドープ領域１１８より上側の第一の固有（ドープされていない）ダイヤモンド領域１１６を含む多層構造であり、これは、以下で説明する技術に従って、例えば、Ｅ２０ホウ素原子／ｃｍ3 （１０20Ｂ原子／ｃｍ3 ）からＥ２５ホウ素原子／ｃｍ3 またはそれを超えるオーダーでの高濃度ホウ素原子を含んでいる。前記領域１１８は、例えば、約３〜４ｎｍの厚みの薄膜層であり、ナノメーター粒子サイズの多結晶質ダイヤモンド素材をアニーリングすることによって形成される。他の固有のダイヤモンド領域１２０は、前記領域１１８および窒素ドープ遮蔽領域１２２の間で、前記領域１１８の下側に広がり、前記ウエハ基板１０８をトンネル効果で通過する電流に対するバッファとして機能する。前記遮蔽領域１２２は、前記基板１０８の上で直接成長する、他の固有のダイヤモンド領域１２４の上側に広がっている。前記遮蔽領域１２２は、前記ダイヤモンド基板１０６を形成する他の層と同様に、ナノメートルスケール、すなわち１μｍより下となる厚みを有している。一実施例においては、３〜４ｎｍオーダーのドープ領域に対して、前記遮蔽領域１２２は１５０ｎｍオーダーの厚みを有すればよい。前記遮蔽領域１２２は、アルミニウムからなり、窒素等のｎ型不純物をさらに含むことができる。
【００１５】
前記ドープ領域１１８は、最大１００ｎｍの粒子サイズを有する多結晶質ダイヤモンドである。望ましくは、また一方、約１０ｎｍから約２０ｎｍ、あるいは約１５ｎｍの粒子サイズが利用されるが、１ｎｍと同程度に低い粒子サイズは、いくつかの状況では用いられてもよい。前記ＦＥＴ１００のような、純粋なダイヤモンド（すなわち、黒鉛相の無い）で形成されたトランジスタは、より大きな粒子サイズ構造または単結晶質構造である場合よりも、理論的に、寄生、不安定性、および劣化の影響を受けやすいことがあり得る。粒子限界サイズの調整することにより、本発明者は、より良いデバイスのＤＣ性能が達成できることを見出した。
【００１６】
最初のダイヤモンド層、固有領域１２４の成長の後、前記遮蔽領域のドーピングが達成され、前記領域１１８は、ホウ素で前記領域１２０の上部をドープすることで形成される。さまざまなイオン堆積技術は用いられることができる。一般的に、有用なダイヤモンドベースの電気デバイスに関する一つの差し迫ったステップは、当該ダイヤモンドを制御可能かつ再生可能にドープする能力である。イオン注入は、ドーパント濃度を正確に制御するように用いられることができ、標準的なマスキング技術による空間的に選択的なドーピング処理を可能とすることができる。熱アニーリング処理は、また、前記注入に組み合わせて用いられることができるが、ダイヤモンドから黒鉛への望ましくない緩和が起こらないように、注意が払われなければならない。図３は、実際のカーボンの相図を表し、さまざまな温度および圧力でとられたカーボンの構造を示している。開示される本発明の目的では、黒鉛に緩和されることなしに、ダイヤモンドの状態での炭素を維持することが望まれている。このように、デバイスが準備されている圧力での温度のモニタリングは重要である（影を付けたエリアに見られるように、“Ａ”が付されたエリアは、温度および圧力の望ましい範囲である一方、“Ｂ”が付されたエリアは、黒鉛への望ましくない緩和である）。
【００１７】
前記遮蔽１２２上に広がっているダイヤモンド層（後のドーピングが前記層１１８および１２０を形成することになる）は、ホウ素イオンまたは他の適切なドーパントを、Ｅ１５イオン／ｃｍの投与量を準備することで、低ＭｅＶの単独チャージで注入されることができる。ＴＲＩＭモンテカルロシミュレーションソフトウエアを用いた計算は、ピーク欠陥濃度は、ダイヤモンドをアモルファス化するために必要な臨界的な投与量よりちょうど小さい、Ｅ２１空孔／ｃｍ3 となるような投与量によって形成されることを、予想している。このようなドーピングプロトコルは、一般的に約３〜４ｎｍ厚で、ダイヤモンド基板１０６の上面の約７５ｎｍより下に埋設されるホウ素ドープ層を提供し、このときの最大ホウ素濃度は、固体表面での回路および主な素子を特性化するために用いられる、表面および薄膜分析技術である、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）により測定されるとおり、約Ｅ２０Ｂ原子／ｃｍ3 である。前記領域１１８におけるホウ素ドーパントの濃度は、Ｅ２１原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２２原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２３原子／ｃｍ3 以上、Ｅ２４原子／ｃｍ3 以上、およびＥ２５原子／以上であってもよい。ダイヤモンドにおけるホウ素のキャリア活性化エネルギーは、投与量の増量に応じて減少するが、この方法において用いられる投与量は、減少のエネルギーは無視してよいほど十分に高い。前記注入は、一般的には、トラップ、ホール、および不安定性を固定化したダイヤモンドにおける臨界温度へ、実行温度が対応するように、最高約７７Ｋの温度で実行され、前記注入は、ホール計測を促進するとともに、同じダイヤモンド上の固有のダイヤモンドキャップ層を形成するように、カスタムマスクにより実行される。全てのキャリア活性化は、前記領域１１８の限られたプロファイルサイズにおけるホウ素の高い投与量のために得られる。前記プロファイル内のホウ素原子は限定されるとともに、ミニバンドを形成するよう強制され、これにより、結果として生じた前記チャネルの全域で、成功した伝播を支援すると考えられる。この結果は、固定キャップ層を得るための前記ダイヤモンドウエハの成長の間、ホウ素化学吸収剤を用いることでまた達成することができる。
【００１８】
前記ダイヤモンド領域１１８のアニーリングは、レーザー照射または高圧高温（ＨＰＨＴ）アニーリングの二つの手法を用いて実行することができる。レーザー照射は、Ｑスイッチレーザー、またはより具体的には、周波数倍増ＹＡＧパルスレーザーを用いて行うことができる。前記ダイヤモンドは、高エネルギー（約８００ｋｅＶから約１．４ＭｅＶ）濃度ナノ秒レーザーパルス（約５３２ｎｍ）により選択的に処理される。前記レーザーパルスは、前記範囲の限度で前記ダイヤモンドに選択的に吸収され、前記ダイヤモンドの温度は、前記ダイヤモンドを溶融するに十分な程度に上昇する。前記溶融面はトランジスタの表面へ伝播し、内部圧力を和らげ、ダイヤモンドを黒鉛へ緩和することを妨げる。全てのキャリア活性化は、少なくとも約１０００ｃｍ2 ／Ｖｓのチャネル移動性で達成されることができる。
【００１９】
高圧高温（ＨＰＨＴ）アニーリングは、最大約３．６ｍｍ2 の領域と、最大約２μｍの厚みを有する多結晶質ダイヤモンドにおいて実行されることができる。ＨＰＨＴのプラットフォームでは、ダイヤモンドは塩化ナトリウムブロック内で黒鉛ヒータ内に入れられ、キュービックアンビル型高圧発生装置が用いられる。この内包の状態は、約６ＧＰａの圧力および約１２００℃の温度で、約１時間の間、前記ダイヤモンドをさらすことを伴う。この圧力および温度では、前記ダイヤモンドは、まだ、図１に示すように、ダイヤモンドにおいての熱力学的に安定な領域に入っている。この状態の下では、周辺温度での自由な励起放射は、ほぼ２倍となり、アニール後の周辺移動性は、一般的には１０４２ｃｍ／Ｖｓである。
【００２０】
前記ダイヤモンド基板１０６の上面は、もし適切に取り組んでいなければ、パッシベーションおよびターミネーション問題を経験するかもしれず、デバイスの寿命および機能を低下するかもしれない。それゆえ、前記ダイヤモンド基板１０６の上面、すなわち、前記ゲート１１０のいずれかの面における曝露領域１０７は、その上に、コンタミネーションに対して保護するためのパッシベーション層（図示せず）が形成されている。この表面パッシベーション層は、ダイヤモンド材と比較すると、より高いか、少なくとも等しい高さの破壊電界を維持すべきである。電気的分離は、局所的な酸素終端により得られ、これは、価電子帯の端および結合した表面空乏の上で、表面電位を１．７ｅＶに固定することで達成された。約１５分にわたって２００℃で硫酸および硝酸溶液へのダイヤモンド表面の曝露は、前記上面での酸素終端を獲得する。吸収された酸素の量は、双極子の構成を妨げるために、測定されることができる。
【００２１】
前記ゲート１１０、ソース１０２、およびドレイン１０４のオーム接触を目的として、標準的なエッチングおよびフォトリソグラフィスキームを施行してよい。ソースおよびドレイン接触は、標準的なシャドウマスクにより金メタライゼーションによって達成されればよい。電極は、硫酸および水酸化カリウム水溶液の双方よりなる溶液で特性化されてよい。そのデザインは、レーザー照射／処理の使用がソースおよびドレインの両方からＦＥＴチャネルまでのトンネル効果を起こす黒鉛カラムを形成させるように変更してもよい。これは、その抵抗が各コンポーネントまでそれぞれ落ちるように、ＤＣ成績を良好なものとすることができる。
【００２２】
特定される３つの特有の機能は、前記ゲート１１０に関して一つの実例デザインに盛り込まれた：ゲート１１０はリセスが形成されているものであり；部分的ｎ型バッファ領域１１２が用いられ；フィールドプレート１２６および１２８（図２には図示せず）が用いられる。これら機能の第一のもの、すなわちリセス形成ゲートは、自由表面電界を経由するゲート領域外側の寄生電流リミッタを回避し、動作の強化モードを十分有効に活用するデザインを可能にする。まず前記ダイヤモンド領域１１６のゲートエリアは、電子ビームリソグラフィによりエッチングされ、それから、リセスは、反応性イオンエッチングを用いて得られ、これにより約３０ｎｍのリセスが生じた。最大ＲＦ電力密度を得るために、ゲートパラメータとシートチャージ密度との組合せが用いられた。ＲＦの状況を測定するために用いられる機構は、オンウエハテストベンチである。例えば、シートチャージ濃度、ゲート長さ、および同様のもの等、特別なパラメータの組合せを用いることによって、最大ＲＦ電力密度が得られる。このように、シートチャージ密度、ゲート長さ、およびゲートフィールドプレートおよびリセスの幾何学的な寸法を含むマトリクスのさまざまな解決法が実施された。前記ゲートメタライゼーションは、アルミニウムの電子ビーム蒸着により得られ、電子ビームリソグラフィによって構築された。ゲート幅（図１のｙ軸に沿って）は、約５０μｍであり、ゲート長さ（図１のｘ軸に沿って）は、約１００ｎｍであった。次に、ゲート金属は、デバイス内のゲートバリヤを形成するために窒素ドーピング処理された。室温で十分に活性化されなかったにもかかわらず、前記ゲートは、また、その望ましい結果として誘電体バリアを得た。最終的に、前記ゲート１１０に関する寄生容量および高電界領域を消去するために、三次元形状およびフィールドプレートの使用の両方の結合は保証された。これは、オーバーラップメタライゼーションにより得られた。前記ドレイン１０４に向かって１μｍ伸びる前記フィールドプレート１２６、および前記ソース１０２に向かって１μｍ伸びる前記フィールドプレート１２８は、ゲートリセス領域内で電解の緩和を可能とし、平面構造に関するよりも非常に高いドレインバイアスであれば絶縁破壊が起こることになる。前記高フィールドプレート１２６および１２８は、アルミニウムで形成され、前記ゲート１１０近傍で前記ｐチャネル１１４の一部を越えた前記ダイヤモンド基板１０６の上面へ取り付けられよい。
【００２３】
出力特性は、添付の説明図において図像的に述べている。関係する図は次のとおりである：ＲＦ電力出力、最大ドレイン電圧、および最大ドレイン電流は、それぞれ約１ＧＨｚ、−１２７Ｖ、および−１．８Ａ／ｍで、−４Ｖのゲート電圧で、約２６．７Ｗ／ｍｍである。小信号スイープは、クラスＡ動作の下で、１ＧＨｚから８１ＧＨｚまで変動した。この範囲は、波のより良い伝播をさらにもっと可能とすることに関しては、前記基板の粒子サイズが減少すれば増大されてよい。前記粒子サイズは用いられた素材の特性である。表面電位およびＤＣ特性化測定は、ＡＦＭケルビンプローブ顕微鏡によってなされた。ＲＦ測定は、オンウエハテストベンチによりなされた。
【実施例】
【００２４】
ホウ素ドープｐチャネルナノ結晶質ダイヤモンドＦＥＴは、いくつかの既存の方法において新規なアプローチを用いることで製造された。一実施例の実行においては、アドバンスドダイヤモンドテクノロジーズ，インク．（アルゴンヌ，イリノイ州）により提供された合成ダイヤモンドが用いられた。特に、ＵＮＣＤ（ウルトラナノ結晶質ダイヤモンド）アクア１００（粒子サイズ約２５ｎｍ）は、その機械的および電気的特性が天然ダイヤモンドと同程度であるために選択された。さらに、このダイヤモンドフィルムは、相純度において最も高いものである（黒鉛相無し）。ダイヤモンドの成長後、次のステップは、前記ダイヤモンド内に異なる領域を規定することであった。規定されるべき最初の領域は、５０ｎｍバッファ層（層１２２のそれと同様）であった。この層は、７７Ｋで、１．８Ｅ１６／ｃｍ3 での窒素投与量で、前記ダイヤモンドへの高エネルギー（２．１ＭｅＶ）イオン注入により形成された。第二のステップでは、ホウ素ドープチャネル層が、大幅に高い濃度（Ｎａ＞＞１０20、ドーピングプロファイル＜５ｎｍ）を用いて、１．１ＭｅＶのイオンエネルギーで、イオン注入により形成された。それゆえ、前記チャネルのトップに残存しているのは、５０ｎｍ厚のドープされていないキャップ層であった。このサンプルは、レーザー処理によりアニールされ、これによりダイヤモンドの黒鉛へのいかなる緩和も妨げられ、アクセプタの全ての活性化および部分的ドナー活性化を確保された。処理は、Ｑスイッチの周波数倍化Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザーを用いて、高エネルギー密度ナノ秒レーザーパルス（５３２ｎｍ）により行われた。このサンプルを洗浄した後、ゲート領域は、電子ビームリソグラフィにより規定され、リセスはＲＩＥによりエッチングされた（約．３０ｎｍ深さ）。最終的に、接点メタライゼーション（Ａｕ）は、電子ビーム蒸着により堆積され、従来のリソグラフィ（ソース、ドレイン）および電子ビーム蒸着（ゲート）により、構築された。次に、前記ゲートフィールドプレートの結合が必要であり、ゲートそれ自体と同様の方法で行われた。フィールドプレートは、ゲートリセス領域内で電界を緩和することが可能であり、絶縁破壊は、より高いドレインバイアスで起こることになると考えられる。電界緩和の効果は、フィールドプレートの長さにより影響を与えることができる。プレート長さが１μｍに等しい事例では、観察された最大ＲＦ電力は、約２７Ｗ／ｍｍであった。このゲート長さの増大により、デバイスの電力操作能力は、その熱限界を超えるまで達するはずである。しかしながら、フィールドプレートの広がりによって、寄生フィールドプレート容量も増大するかもしれない。ダイヤモンド材の誘電率は、他のバンドギャップ半導体（例えばＧａＮ）のそれよりも低いので、ダイヤモンドベースＦＥＴ構造のＲＦ性能での寄生フィールドプレート容量の効果は、同様の構造でのＧａＮベースデバイスのそれよりも低いものである。
【００２５】
最大有能ゲイン（ＭＡＧ）および最大一方向ゲイン（ＭＵＧ）の双方での振幅の遮断周波数および最大周波数を得るために、小信号パラメータ（Ｓ−パラメータ）の測定が、生じた構造に関して実行される。この結果は、図４に示すことができ、この図は、測定されたＭＡＧおよびＭＵＧ対周波数を示す。図４は、電流ゲインおよび周波数の範囲を超える最大電力ゲインのＲＦゲインプロットを示す。抽出された遮断周波数ｆｒおよびｆｍａｘは、わずかに１ＧＨｚを超えており、ここでｆｒはクラスＡ動作バイアス点であり、これはクラスＡ動作の間でのデバイスのシグナル出力のポイントである。図５において、前記デバイスの出力特性は、−４Ｖのゲート電圧において、異なるドレイン電圧を示している。最大ドレイン電流は、Ｉｄ，１．８Ａ／ｍｍであり、最大ドレイン電圧は、１２７Ｖである。最終的に、図６に示すように、電力スイープは、ＲＦデータ電力情報に関するオンウエハテストベンチから測定された電力ゲインの状況を示し、これは、クラスＡ動作の小信号測定に関して１ＧＨｚが得られている。
【００２６】
もちろん、本願は、ＦＥＴのコンテクストについての実施例を議論しているが、本技術は、ダイオードおよび他のスイッチを含む別の電気デバイスとして用いられ得る、多量に不純物がドープされたナノ結晶質ダイヤモンド層について説明することを十分よく認識されるものであって、ここに示す特別な実施に限定されるものではない。
【００２７】
本発明についての特定の実施の形態が図示されて説明されているが、そのより広い態様となるように、本発明から逸脱しないように変更や修飾が行われることは、本技術の当業者によりよく認識される。それゆえ、添付する請求項における目的は、このような変更および修飾は、本発明の真の精神および範囲内に全て含まれることを保護するためである。前述の説明および添付の図面で記述されている事項は、例示の目的で提示されるものであって、限定の目的で提示されるものではない。本発明の現実の範囲は、その先行技術を基礎とするそれらの適切な観点で考えられる、次に示すクレームにおいて定義されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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