Was ist Diamanthalbleiter?

Halbleiter aus Diamant, einem Kristall aus Kohlenstoff. Mit einer Bandlücke von etwa 5,5 eV, einer der höchsten Wärmeleitfähigkeiten aller Materialien und einer hohen Durchbruchfeldstärke ist er vielversprechend für Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturbauelemente, doch n-Dotierung und große Substrate sind schwierig.

Japanische Bezeichnung: ダイヤモンド半導体

„Diamanthalbleiter“ kommt in 2 Übungsfragen aus 1 Themen vor, z. B. Verbindungshalbleiter.

Fachgebiet: Verbindungshalbleiter

Materialeigenschaften

Diamant ist ein Ultra-Wide-Bandgap-Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 5,5 eV und einer erwarteten Durchbruchfeldstärke von etwa 10 MV/cm, weit über den etwa 3 MV/cm von SiC und GaN. Seine Wärmeleitfähigkeit von etwa 2000 W/(m·K) gehört zu den höchsten aller Materialien und beträgt etwa das 5-Fache von Kupfer. Auch die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern ist relativ hoch, sodass seine theoretische Gütezahl für Leistungsbauelemente die von SiC und GaN übertrifft. Deshalb wird er mitunter „ultimativer Halbleiter“ genannt.

Warum die Dotierung schwierig ist

p-leitender Diamant lässt sich durch Zugabe von Bor herstellen, doch Bor wirkt als Akzeptor, dessen Niveau etwa 0,37 eV über dem Valenzband liegt, sodass bei Raumtemperatur nur ein Teil des Bors Löcher abgibt. n-Leitung ist noch schwieriger: Phosphor wirkt als Donator, dessen Niveau etwa 0,57 eV unter dem Leitungsband liegt, sodass bei Raumtemperatur nur sehr wenige Elektronen frei sind. Dass flache Niveaus fehlen, aus denen wie bei Si oder SiC fast alle Dotierstoffe Ladungsträger abgeben, ist der grundlegende Grund, warum Diamantbauelemente schwierig sind.

Transistoren mit wasserstoffterminierten Oberflächen

Wird eine Diamantoberfläche mit Wasserstoffatomen terminiert, bildet sich direkt darunter eine dünne leitende Schicht aus Löchern (ein zweidimensionales Löchergas). Man nimmt an, dass sie durch Elektronenaustausch mit an der Oberfläche adsorbierten Stoffen entsteht, und die Adsorption von NO2 oder ähnlichen Molekülen erhöht die Löcherdichte. Da dies das Problem tiefer Dotierniveaus umgeht, werden p-Kanal-MOSFETs erforscht, die diese Oberflächenschicht als Kanal nutzen. 2023 gab die Universität Saga den Betrieb einer Leistungsschaltung mit p-Kanal-Diamant-MOSFETs bekannt, deren Löcher durch NO2 induziert wurden.

Substrate und verbleibende Herausforderungen

Einkristalliner Diamant wird mit Verfahren wie CVD (chemische Gasphasenabscheidung) aus Methan und Wasserstoff hergestellt, doch die kostengünstige Massenfertigung großflächiger, defektarmer Substrate wie bei Si oder SiC ist noch schwierig, sodass sich die Forschung Mitte der 2020er-Jahre auf kleine Substrate konzentriert. Neben Hochspannungs-Leistungsbauelementen werden Anwendungen wie Hochfrequenz-Leistungsverstärker, strahlungs- und hochtemperaturfeste Bauelemente sowie Quantensensoren mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant untersucht.

Jetzt üben: Fragen zu Diamanthalbleiter

Was ist der Hauptgrund dafür, dass in einem Diamanthalbleiter die Elektronendichte einer mit Phosphor dotierten n-Schicht bei Raumtemperatur weit unter der Phosphorkonzentration liegt?

ADiamant ist ein indirekter Halbleiter
BDas Donatorniveau von Phosphor liegt mit etwa 0,57 eV tief unter dem Leitungsband, sodass es bei Raumtemperatur kaum ionisiert wird
CPhosphor wirkt in Diamant als Akzeptor

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Antwort: B. Das Donatorniveau von Phosphor liegt mit etwa 0,57 eV tief unter dem Leitungsband, sodass es bei Raumtemperatur kaum ionisiert wird

Damit ein Donator ein Elektron abgibt, muss das Elektron thermisch vom Donatorniveau ins Leitungsband angehoben werden. In Silizium liegt das Phosphorniveau mit etwa 0,045 eV flach unter dem Leitungsband, sodass bei Raumtemperatur fast der gesamte Phosphor ionisiert ist. In einem Diamanthalbleiter liegt das Phosphorniveau mit etwa 0,57 eV tief, weit über der thermischen Energie bei Raumtemperatur (etwa 0,026 eV), sodass die meisten Phosphoratome keine Elektronen abgeben. Auch der Akzeptor Bor liegt mit etwa 0,37 eV recht tief, sodass die Dotierung eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Diamantbauelementen ist.

Was ist der Hauptgrund dafür, dass die leitfähige Schicht, die durch Wasserstoffterminierung der Oberfläche entsteht, als Kanal für Transistoren aus Diamanthalbleitern untersucht wird?

ADirekt unter der Oberfläche bildet sich eine dünne Schicht mit angesammelten Löchern, mit der sich p-Kanal-Transistoren herstellen lassen, ohne auf die tiefen Dotierniveaus angewiesen zu sein
BDurch die Wasserstoffterminierung sinkt die Bandlücke von Diamant auf 0 eV, sodass er metallisch wird
CDurch die Wasserstoffterminierung lassen sich n-Schichten leicht bilden

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Antwort: A. Direkt unter der Oberfläche bildet sich eine dünne Schicht mit angesammelten Löchern, mit der sich p-Kanal-Transistoren herstellen lassen, ohne auf die tiefen Dotierniveaus angewiesen zu sein

Weil in einem Diamanthalbleiter die Niveaus von Bor und Phosphor tief liegen, ist es schwierig, bei Raumtemperatur genügend Ladungsträger zu erhalten. Ist die Oberfläche wasserstoffterminiert, tauscht sie Elektronen mit adsorbierten Stoffen aus, und direkt unter der Oberfläche bildet sich ein zweidimensionales Löchergas. Durch Adsorption von NO2 oder ähnlichen Molekülen lässt sich die Löcherdichte erhöhen, und p-Kanal-MOSFETs mit dieser Schicht als Kanal werden erforscht. Die Universität Saga hat 2023 den Betrieb einer Leistungsschaltung mit Diamant-MOSFETs vorgestellt, in denen die Löcher durch NO2 induziert werden.

Häufige Fragen

Welche Vorteile hat ein Diamanthalbleiter?

Er vereint eine große Bandlücke von etwa 5,5 eV, eine hohe Durchbruchfeldstärke von etwa 10 MV/cm und eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten aller Materialien. Er soll sich für Hochspannungs-Leistungsbauelemente mit viel Wärmeentwicklung und für Bauelemente eignen, die bei hoher Temperatur oder unter Strahlung eingesetzt werden.

Warum ist n-leitender Diamant schwer herzustellen?

Das Donatorniveau von Phosphor liegt etwa 0,57 eV unter dem Leitungsband, sodass es bei Raumtemperatur fast keine Elektronen abgibt. Auch der Bor-Akzeptor ist mit etwa 0,37 eV recht tief, daher ist eine niedrige Ladungsträgerdichte bei Raumtemperatur ein gemeinsames Problem.

Werden Diamanthalbleiter bereits kommerziell eingesetzt?

Mitte der 2020er-Jahre befinden sie sich in Forschung und Entwicklung. Ergebnisse wie funktionierende Leistungsschaltungen wurden berichtet, doch die Massenfertigung großer, hochwertiger Substrate und die Lösung des Dotierproblems sind entscheidend für den praktischen Einsatz.

„Diamanthalbleiter“ in den Erläuterungen

In einem Diamanthalbleiter liegt das Phosphorniveau mit etwa 0,57 eV tief, weit über der thermischen Energie bei Raumtemperatur (etwa 0,026 eV), sodass die meisten Phosphoratome keine Elektronen abgeben.
Was ist der Hauptgrund dafür, dass in einem Diamanthalbleit…
Weil in einem Diamanthalbleiter die Niveaus von Bor und Phosphor tief liegen, ist es schwierig, bei Raumtemperatur genügend Ladungsträger zu erhalten.
Was ist der Hauptgrund dafür, dass die leitfähige Schicht, …