Einsatz vom Diamant in der Halbleitertechnik

Silizium ist das derzeit bedeutendste Halbleitermaterial und der größte Teil der Halbleiterindustrie basiert auf diesem Material. Für zukünftige Anwendungen kann es aber sinnvoll sein, den Anwendungsbereich von Halbleitermaterialien über den Bereich des Siliziums zu erweitern. Dabei besitzt Diamant als Material großes Potenzial für die Halbleiterindustrie. Das Potenzial, welches Diamant für die Halbleiterindustrie besitzt, wird in dieser Arbeit anhand von zwei Anwendungen demonstriert.


Zum einen lassen sich mithilfe von Diamant als Sensor erstmals Störstellen in Dielektrika charakterisieren. Das Verfahren wird im Rahmen dieser Arbeit basierend auf dem Doppel-Boxcar-Verfahren entwickelt und an den Dielektrika Aluminiumoxid und Siliziumdioxid erprobt.
Zum anderen lassen sich auch elektrische Bauteile aus Diamant herstellen. Dafür wird in dieser Arbeit ein monolithischer diamantbasierter Feldeffekttransistor synthetisiert und charakterisiert.


Um diese beiden Anwendungen zu realisieren, müssen der Halbleiter und die Dielektrika synthetisiert, charakterisiert und strukturiert werden. Die chemische Gasphasenepitaxie zur Synthese von undotierten und sequenziell dotierten Diamant wird untersucht und optimiert. Des Weiteren wird die Strukturierung der Diamantschichten mithilfe eines optimierten Reaktiven Ionenätzen Schrittes erreicht.


Ebenso wichtig für diese beiden Anwendungen sind die elektrischen Eigenschaften des zweidimensionalen Lochgases auf Wasserstoff-Terminiertem Diamant. Die elektrischen Eigenschaften lassen sich durch die Funktionalisierung der Oberfläche steuern.

Silicon is currently the most prevailing semiconductor material and the largest part of the semiconductor industry is based on this material. However, for future applications, it can be advantageous to use additional materials as semiconductors. For this purpose, diamond shows a lot of potential. This work demonstrates the potential of diamond as a semiconductor for the industry. This is exemplified with two applications.

 

On the one hand, for the first time defects in dielectric materials can be characteri-
zed using diamond as sensor. This method is developed based on deep level transient spectroscopy and described in this thesis. Here, it is shown for the dielectric materials alumina and silicon dioxide.

On the other hand, electric devices based on diamond can be produced. Therefore, a monolithic diamond field-effect transistor is synthesized and characterized.

 

It is essential to optimize the needed processing steps of the semiconductor and dielectric material for these applications. Chemical vapor deposition is employed to grow undoped and sequentially doped diamond films. Furthermore, structuring of these diamond films is achieved by an optimized reactive ion etching process.

 

The electrical properties of the two-dimensional hole gas on hydrogen-terminated diamond are just as important for these applications. They can be tuned by suitable surface functionalization.

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