Nederlands
Menu

Wat is Diamanthalfgeleider?

Halfgeleider gemaakt van diamant, een kristal van koolstof. Met een bandgap van ongeveer 5,5 eV, een van de hoogste warmtegeleidingen van alle materialen en een hoge doorslagveldsterkte is hij veelbelovend voor componenten voor hoge spanning, hoge frequentie en hoge temperatuur, maar n-type dotering en grote substraten zijn moeilijk.

Japanse benaming: ダイヤモンド半導体

“Diamanthalfgeleider” komt voor in 2 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Verbindingshalfgeleiders.

Vakgebied: Verbindingshalfgeleiders

Materiaaleigenschappen

Diamant is een ultra-wide-bandgap-halfgeleider met een bandgap van ongeveer 5,5 eV en een verwachte doorslagveldsterkte van ongeveer 10 MV/cm, ver boven de ongeveer 3 MV/cm van SiC en GaN. Zijn warmtegeleiding van ongeveer 2000 W/(m·K) behoort tot de hoogste van alle materialen, ongeveer 5 keer die van koper. Ook de mobiliteit van elektronen en gaten is relatief hoog, zodat zijn theoretische kwaliteitsfactor voor vermogenscomponenten die van SiC en GaN overtreft. Daarom wordt hij soms de „ultieme halfgeleider” genoemd.

Waarom dotering moeilijk is

p-type diamant kan worden gemaakt door boor toe te voegen, maar boor werkt als acceptor met een niveau dat ongeveer 0,37 eV boven de valentieband ligt, zodat bij kamertemperatuur slechts een deel van het boor gaten afgeeft. n-type is nog moeilijker: fosfor werkt als donor met een niveau dat ongeveer 0,57 eV onder de geleidingsband ligt, zodat bij kamertemperatuur zeer weinig elektronen vrij zijn. Het ontbreken van ondiepe niveaus waaruit, zoals bij Si of SiC, vrijwel alle doteringsatomen ladingsdragers afgeven, is de fundamentele reden waarom diamantcomponenten moeilijk zijn.

Transistors met waterstofgetermineerde oppervlakken

Wanneer een diamantoppervlak met waterstofatomen wordt getermineerd, vormt zich er direct onder een dunne geleidende laag van gaten (een tweedimensionaal gatengas). Vermoedelijk ontstaat die door elektronenuitwisseling met stoffen die aan het oppervlak zijn geadsorbeerd, en adsorptie van NO2 of vergelijkbare moleculen verhoogt de gatendichtheid. Omdat dit het probleem van diepe doteringsniveaus omzeilt, worden p-kanaal-MOSFET's onderzocht die deze oppervlaktelaag als kanaal gebruiken. In 2023 maakte de Universiteit van Saga de werking bekend van een vermogensschakeling met p-kanaal-diamant-MOSFET's met door NO2 geïnduceerde gaten.

Substraten en resterende uitdagingen

Eénkristallijn diamant wordt gemaakt met methoden zoals CVD (chemische dampdepositie) uit methaan en waterstof, maar goedkope massaproductie van defectarme substraten met grote diameter, zoals bij Si of SiC, is nog moeilijk, zodat het onderzoek in het midden van de jaren 2020 vooral kleine substraten gebruikt. Naast vermogenscomponenten voor hoge spanning worden toepassingen onderzocht zoals hoogfrequente vermogensversterkers, componenten die bestand zijn tegen straling en hoge temperatuur, en kwantumsensoren met stikstof-vacaturecentra (NV-centra) in diamant.

Nu oefenen: vragen over Diamanthalfgeleider

Wat is de belangrijkste reden dat in een diamanthalfgeleider de elektronendichtheid bij kamertemperatuur van een met fosfor gedoteerde n-type laag veel lager is dan de fosforconcentratie?

  1. ADiamant is een halfgeleider met een indirecte bandgap
  2. BHet donorniveau van fosfor ligt met ongeveer 0,57 eV diep onder de geleidingsband, dus het wordt bij kamertemperatuur nauwelijks geïoniseerd
  3. CFosfor werkt in diamant als acceptor
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het donorniveau van fosfor ligt met ongeveer 0,57 eV diep onder de geleidingsband, dus het wordt bij kamertemperatuur nauwelijks geïoniseerd

Om een elektron af te geven, moet een donor dat elektron thermisch van het donorniveau naar de geleidingsband tillen. In silicium ligt het fosforniveau ondiep, ongeveer 0,045 eV onder de geleidingsband, zodat het bij kamertemperatuur bijna volledig is geïoniseerd. In een diamanthalfgeleider ligt het fosforniveau met ongeveer 0,57 eV diep, veel meer dan de thermische energie bij kamertemperatuur (ongeveer 0,026 eV), zodat de meeste fosforatomen geen elektron afgeven. Ook de boriumacceptor voor p-type ligt met ongeveer 0,37 eV vrij diep, waardoor dotering een grote uitdaging is bij de ontwikkeling van diamantcomponenten.

Wat is de belangrijkste reden dat de geleidende laag die ontstaat door het oppervlak met waterstof af te sluiten, wordt onderzocht als kanaal voor transistors in een diamanthalfgeleider?

  1. AVlak onder het oppervlak ontstaat een dunne laag gaten, waarmee p-kanaaltransistors kunnen worden gemaakt die het probleem van diepe doteringsniveaus omzeilen
  2. BWaterstofafsluiting verkleint de bandgap van diamant tot 0 eV en maakt het tot een metaal
  3. CWaterstofafsluiting maakt het eenvoudig om n-type lagen te vormen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Vlak onder het oppervlak ontstaat een dunne laag gaten, waarmee p-kanaaltransistors kunnen worden gemaakt die het probleem van diepe doteringsniveaus omzeilen

In een diamanthalfgeleider liggen de niveaus van borium en fosfor diep, zodat het moeilijk is bij kamertemperatuur voldoende ladingsdragers te verkrijgen. Wordt het oppervlak met waterstof afgesloten, dan vormt de uitwisseling van elektronen met geadsorbeerde stoffen vlak onder het oppervlak een tweedimensionaal gatengas. Door NO2 of vergelijkbare moleculen te adsorberen, kan de gatendichtheid worden verhoogd, en p-kanaal-MOSFET's met deze laag als kanaal worden onderzocht. In 2023 maakte de Universiteit van Saga de werking bekend van een vermogensschakeling met diamant-MOSFET's waarin gaten met NO2 werden geïnduceerd.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de voordelen van een diamanthalfgeleider?

Hij combineert een grote bandgap van ongeveer 5,5 eV, een hoge doorslagveldsterkte van ongeveer 10 MV/cm en een van de hoogste warmtegeleidingen van alle materialen. Hij wordt geschikt geacht voor vermogenscomponenten voor hoge spanning die veel warmte opwekken en voor componenten die bij hoge temperatuur of onder straling worden gebruikt.

Waarom is n-type diamant moeilijk te maken?

Het donorniveau van fosfor ligt ongeveer 0,57 eV onder de geleidingsband, zodat het bij kamertemperatuur vrijwel geen elektronen afgeeft. Ook de booracceptor is met ongeveer 0,37 eV vrij diep, dus een lage ladingsdragerdichtheid bij kamertemperatuur is een gemeenschappelijk probleem.

Worden diamanthalfgeleiders al commercieel gebruikt?

In het midden van de jaren 2020 bevinden ze zich in onderzoek en ontwikkeling. Resultaten zoals werkende vermogensschakelingen zijn gerapporteerd, maar massaproductie van grote substraten van hoge kwaliteit en het oplossen van het doteringsprobleem zijn bepalend voor praktisch gebruik.

“Diamanthalfgeleider” in de toelichting

Vragen met “Diamanthalfgeleider” (2)

  1. Wat is de belangrijkste reden dat in een diamanthalfgeleider de elektronendichtheid bij kamertemperatuur van een met fosfor gedoteerde n-type laag veel lager is dan de fosforconcentratie?
  2. Wat is de belangrijkste reden dat de geleidende laag die ontstaat door het oppervlak met waterstof af te sluiten, wordt onderzocht als kanaal voor transistors in een diamanthalfgeleider?

Verwante termen

Donor Directe bandovergang (direct bandgap) Efficiency droop Ga2O3 (galliumoxide) GaAs (galliumarsenide) GaN (galliumnitride) Halfgeleider met brede bandgap (wide-bandgap) HEMT (high electron mobility transistor) III-V-verbindingshalfgeleider InP (indiumfosfide)

Naar de woordenlijst