[发明专利]电气开关器件及将催化材料嵌入金刚石衬底中的方法

说明书

本发明涉及电气开关和放大器件，并且具体地但并非排他性地，涉及 在高功率应用中使用的电气开关器件。本发明还涉及一种将催化材料嵌入 金刚石衬底中的方法。

如本领域技术人员已知的，硅在用作高功率和极端环境中的开关和放 大应用的基本电子材料时是有局限的。例如，已知的是，硅在可接受水平 的接通状态损耗以及可用的开关速度的基础上具有大约8kV的反向击穿 电压。这意味着，为了在若干最终用途应用中获得有意义的电压和/或电 流电平，需要串联或并联组合的多个离散器件，这又要求其它电子元件保 证器件之间的工作保持平衡，因而在实现上可能是复杂的。

由于金刚石的通常明显优于任何其它电子材料的热属性、介电属性和 载流子移动属性，金刚石提供了对这个问题的潜在解决方案。因此，用金 刚石制成的器件通过减少实施应用所需的离散器件的数量而提供了显著 降低复杂性的潜力。

在大多数半导体器件中，电子功能是通过将外部元素(或被称为掺杂 物)选择性地引入晶体结构中来改变基材的电属性而实现的。在金刚石的 情况下，掺杂物的选择受限于相对小的晶格尺寸。结果是，对金刚石晶体 结构干扰最少的两种掺杂物是硼(p型)和氮(n型)。虽然掺杂了硼的金 刚石是相当有效的p型半导体，但尚未发现有效的n型掺杂物。问题在于， 这两种掺杂物是分别具有0.7eV和4.5eV的活化能量的深施主，从而导致 需要加热来协助释放电荷载流子，以实现有效的器件操作。

然而，加热工艺还导致载流子移动值和电场击穿强度的降低，从而使 得金刚石的对于制造高功率开关来说理想的关键属性中的两个属性打了 折扣。这样，以此方式制造的器件没有充分利用作为电子材料的金刚石的 固有的物理属性。

现有器件总是在它们能够在关断状态下阻塞的电压与它们能够在接 通状态下通过的电流之间进行权衡。进一步地，为了在非金刚石材料中获 得最高的电压和功率额定，通常需要用于器件的双极结构。由于为了增加 器件的开关电压而物理地增大了结的尺寸，因此，需要中和、以关断器件 的电荷量也会增加，这又使器件的开关频率打了折扣。

本发明的优选实施例试图通过使用单极结构来克服现有技术中的上 述缺点，所述单极结构使得金刚石的全部材料潜力能够为功率器件充分利 用。本发明利用与金刚石有关的多种已知现象。即：发射电子能够穿过本 征金刚石行进几百微米，而损耗非常少；经掺杂的金刚石可以用于控制来 自单种等离子体的空间电荷堆积；以及电子可以从金刚石衬底内所嵌入的 敏锐的传导性侵入物中直接发射到金刚石中。因此，本发明试图利用金刚 石内所嵌入的工程化的电子发射极结构，而该结构将仅在存在合适的直流 偏置的情况下导通，并且本发明试图使用金刚石的电子传输属性，以便能 够通过所述材料而导通。

根据本发明的一个方面，提供了一种电气器件，该电气器件包括：

衬底，该衬底包括至少一个金刚石层；

与所述衬底接触的至少一个第一电极，其中，至少一个所述第一电极 包括延伸到所述衬底中的至少一个导电突起；以及

至少一个第二电极，所述至少一个第二电极与所述衬底接触，并且与 所述第一电极或每个所述第一电极间隔开。

这提供了以下优点：通过导电突起的合适的构造，在所述金刚石材料 内可以出现场增强的电子发射。这又使得所述器件能够在比常规的包含金 刚石的电气器件低的温度下操作，并且具有令人满意的接通状态的导通性 以及关断状态的电流阻塞属性。

所述衬底可以在与至少一个所述突起的至少末端相邻处包含：含有第 一杂质的金刚石材料，该第一杂质适于改变与所述末端相邻的所述金刚石 材料的电特性。

这提供了以下优点：降低了导电突起与金刚石层之间的势垒，这又降 低了激活所述器件所需的电势。

所述第一杂质可用于为所述材料提供n型电特性。

这提供了以下优点：引入自由电子，所述自由电子增强了所述器件在 其接通状态下的导通性。

所述衬底可以在与至少一个所述第二电极相邻处包含：含有第二杂质 的金刚石材料，该第二杂质适于改变与所述第二电极相邻的所述金刚石材 料的电特性。

这提供了以下优点：使得能够减少衬底材料内的空间电荷堆积的发 生，这又会限制所述器件的接通状态电流的幅度。

所述第二杂质可用于为所述金刚石材料提供p型电特性。