法英日研究人員通過(guò)摻雜硼方法提高金剛石MOSFET的溝道遷移率性能，該法也可用于其它寬禁帶半導體材料

硅為功率電子產(chǎn)業(yè)提供了巨大效益。但硅基功率電子性能已接近極限，當前的功率電子產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入寬禁帶(WBG)半導體時(shí)代。寬禁帶半導體器件能效更高，已成為下一代電力電子領(lǐng)域場(chǎng)效應晶體管(FET)的主要競爭材料。這種FET技術(shù)將運用到各種可再生能源電網(wǎng)中，使可再生能源供電的汽車(chē)和火車(chē)發(fā)動(dòng)機等收益。

法英日研究人員通過(guò)摻雜硼方法提高金剛石MOSFET的溝道遷移率性能，該法也可用于其它寬禁帶半導體材料

　　硅為功率電子產(chǎn)業(yè)提供了巨大效益。但硅基功率電子性能已接近極限，當前的功率電子產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入寬禁帶(WBG)半導體時(shí)代。寬禁帶半導體器件能效更高，已成為下一代電力電子領(lǐng)域場(chǎng)效應晶體管(FET)的主要競爭材料。這種FET技術(shù)將運用到各種可再生能源電網(wǎng)中，使可再生能源供電的汽車(chē)和火車(chē)發(fā)動(dòng)機等收益。

　　左圖：MOSCAP和金剛石深層耗盡MOSFET(D2MOSFET)的光學(xué)顯微鏡圖像。右上：金剛石D2MOSFET的掃描電子顯微鏡圖像。S：源，G：柵，D：漏。 右下：D2MOSFET概念圖。高遷移率溝道是硼摻雜的金剛石外延層。

　　溝道遷移率低是一大挑戰

　　金剛石材料具有優(yōu)異的物理性能，金剛石器件能夠在更高的溫度、電壓和頻率下工作，且損耗較小，所以金剛石被廣泛認為是最理想的WBG材料。但在實(shí)現金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)時(shí)，最大挑戰是提高空穴溝道中載流子遷移率的能力。該遷移率與電流流動(dòng)相關(guān)，對MOSFET導通電流至關(guān)重要。

　　摻硼新方法

　　來(lái)自法國、英國和日本的研究團隊采用體摻雜硼的金剛石MOSFET的深耗盡方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。新方法證明，能夠利用單一硼摻雜的外延層堆疊制造簡(jiǎn)單的金剛石MOSFET結構。這種針對WBG材料的新方法能夠將溝道遷移率提高一個(gè)數量級。該研究成果已經(jīng)發(fā)表于《應用物理學(xué)報》。

　　在典型的MOSFET結構中，在半導體材料的頂部覆蓋氧化層，然后是金屬柵極，只是在本研究中半導體材料是金剛石。通過(guò)在金屬柵極施加電壓，使得柵極下面的金剛石溝道內的載流子密度和電導率發(fā)生顯著(zhù)變化。使用這種電的“場(chǎng)效應”來(lái)控制溝道電導率并將MOSFET從導通(導通狀態(tài))切換到高絕緣(關(guān)閉狀態(tài))的能力使得電場(chǎng)效應在功率控制領(lǐng)域受到廣泛應用。目前已證明許多金剛石MOSFET依靠金剛石表面的氫終端將正電荷的載流體(稱(chēng)為空穴)轉移到溝道中。最近證明了氧鍵金剛石MOS結構的操作，類(lèi)似于硅MOSFET的常見(jiàn)工作模式。MOSFET的導通電流強烈依賴(lài)于溝道遷移率，并且在許多MOSFET設計中，遷移率對金剛石界面處的粗糙度和缺陷狀態(tài)非常敏感，容易造成載流子的散射。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員探討了不同的工作模式，建立了MOSFET，研究人員在380℃環(huán)境下，在氧終端厚金剛石外延層上淀積了一層氧化鋁(Al2O3)。通過(guò)在金剛石層中摻入硼原子而在產(chǎn)生空穴。硼比碳少一個(gè)價(jià)電子，因此在化合鍵中會(huì )缺少一個(gè)電子，其作用就像添加正電荷或空穴。體外延層作為厚導電空穴溝道起作用。通過(guò)施加電壓來(lái)排斥和耗盡空穴 - 形成深度耗盡區，使晶體管從導通狀態(tài)切換到截止狀態(tài)。在硅基晶體管中，該電壓將導致反型層的形成，晶體管將不會(huì )斷開(kāi)。研究人員能夠證明金剛石具有獨特性質(zhì)，特別是大帶隙，抑制了反型層的形成，從而使得晶體管在深度耗盡狀態(tài)下運行。

　　研究意義

　　法國NEEL研究所研究人員同時(shí)也是本文作者的Julien Pernot說(shuō)：“我們制造了一種晶體管，其中通過(guò)摻雜硼的金剛石外延層的體溝道傳導確保了晶體管導通狀態(tài)。通過(guò)深度耗盡區域引起的厚絕緣層保證晶體管的關(guān)斷狀態(tài)。我們的研究成果為金剛石在MOSFET方面的應用鋪平了道路?！?/p>

　　Pernot還表示：“該原理也適用于其它材料的寬禁帶半導體材料。硼適用于金剛石材料，可以選擇其它材料來(lái)為其它寬禁帶材料構成穩定的深耗盡區域?！?/p>

　　未來(lái)展望

　　研究人員計劃通過(guò)他們的DiamFab初創(chuàng )公司來(lái)制造這些結構的MOSFET。

　　參考文獻

　　T. T. Pham, N. Rouger, C. Masante, G. Chicot, F. Udrea, D. Eon, E. Gheeraert, J. Pernot. Deep depletion concept for diamond MOSFET. Applied Physics Letters, 2017; 111 (17): 173503 DOI: 10.1063/1.4997975

　　來(lái)源：大國重器