Impact of Thermal Treatments in Crystalline Reconstruction and Electrical Properties of Diamond Ohmic Contacts Created by Boron Ion Implantation

Abstract

To obtain p-type doping of diamond through B ion implantation, thermal treatments are necessary to reconstruct the diamond lattice and to locate B atoms in substitutional lattice positions. The present contribution evaluates by STEM-EELS and CL spectroscopy the amorphisation of diamond lattice under the B þ bombardment and its subsequent reconstruction after the thermal treatment. In addition, TEM observations allowed localizing the boron spatial distribution. Carbon-related peaks of EELS spectroscopy shows a nearly complete recovery of the diamond lattice after thermal treatment. Indeed, at 1600 C, sp 2 /sp 3 ratio in implanted regions changes from 0.56 to 0.18 (0.15 value was measured before implantation). On the other hand, CL spectroscopy reveals how A-Band and free exciton emission peaks, which are quenched by B þ implantation, recover after annealing. Boron ion implantation was used to create ohmic contacts in two different diamond samples, treated with different annealing velocities. Crystalline reconstruction, evidenced by TEM data explains the related electric behaviour. Nanoscale evidences of amorphisation, lattice reconstruction and dopant activation are presented and discussed in this work.

Исследование формирования омических контактов Au/Mo/Ti с пониженным сопротивлением к эпитаксиальным слоям алмаза p-типа

“…Кроме того, дополнительную трудность создает отсутствие сплавов эвтектики металлов с углеродом с низкой температурой плавления, низкий коэффициент диффузии металлов в алмазе, а также конкурирующий механизм аморфизации и графитизации алмаза при термическом отжиге. Это затрудняет формирование контактов с низким контактным сопротивлением и с высокой адгезией, стабильных при рабочих температурах 400−500 • C. В настоящее время основными методами создания омических контактов к алмазу pтипа являются сильное легирование контактной области атомами бора с концентрацией выше 10 20 cm −3 [3][4][5][6][7] и использование карбидообразующих металлов [8][9][10][11][12][13]. Сильное легирование позволяет существенно снизить ширину барьера на границе металл-алмаз и обеспечить эффективный туннельный механизм протекания тока через контакт, хотя и не изменяет высоту этого барьера.…”

“…В этих работах изучались поликристаллические слои алмаза, выращенные химическим осаждением из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD) на подложках Si. Основные представления оказываются справедливыми и для эпитаксиальных монокристаллических слоев алмаза [7].…”

Омические Контакты К Эпитаксиальным Структурам CVD-алмаза С Дельта-Слоями Бора

“…Вопрос формирования омических контактов к таким структурам является очень важным. В настоящее время основными методами создания омических контактов к объемному алмазу p-типа являются сильное легирование контактной области атомами бора с концентрацией > 10 20 см −3 [9][10][11][12] и использование карбидообразующих металлов [13][14][15][16][17][18]. Сильное легирование позволяет существенно снизить ширину поверхностного барьера и обеспечивает туннельный транспорт носителей через барьер, линейные вольт-амперные характеристика (ВАХ) и низкую величину контактного сопротивления.…”

“…Коэффициент диффузии легирующих примесей в алмазе имеет очень низкое значение даже при высоких температурах, отсутствуют сплавы (эвтектики) углерода с более низкой температурой плавления. Распространенным методом формирования контактов остается имплантация ионов бора с последующим высокотемпературным отжигом для устранения структурных дефектов и активации атомов примеси и дальнейшее осаждение слоев металла [12]. Создание сильно легированной области алмаза путем имплантации снижает толщину и эффективную высоту поверхностного барьера и обеспечивает туннельный транспорт носителей через барьер, линейные ВАХ и низкую величину контактного сопротивления.…”

“…Тем не менее и в этой стандартной для традиционных полупроводников процедуре остается проблема точного выбора температуры и длительности отжига. В работе [12] показано, что в результате имплантации ионов бора с высокой дозой и высокотемпературного отжига возникают процессы аморфизации и графитизации в двух разных областях алмаза -на границе с металлическим контактом и в области максимума выделенной энергии при имплантации. Далеко не всегда удается избавиться от этих областей или по крайней мере уменьшить их толщину.…”