[據(jù)物理學(xué)組織網(wǎng)站2017年10月26日?qǐng)?bào)道] 硅為電力電子工業(yè)帶來了巨大的利益。但是由于硅的物理限制，當(dāng)前硅基電力電子器件性能已很難再獲得大的突破。相比之下，寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料具有更高的能效，已成為開發(fā)下一代電力電子用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要候選材料。寬禁帶半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)將為可再生能源電網(wǎng)配置、汽車和火車引擎等眾多電力電子應(yīng)用的發(fā)展帶來極大的好處。

金剛石具有較高的禁帶寬度、最高的熱導(dǎo)率、極高的電子飽和遷移速率，被公認(rèn)為最理想、最具發(fā)展?jié)摿Φ膶捊麕О雽?dǎo)體材料。金剛石的優(yōu)越物理性能，能使器件以極小的損耗在更高的溫度、電壓和頻率下工作。然而，限制金剛石在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）中應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)在于提高空穴溝道的載流子遷移率。空穴溝道載流子遷移率與電流的流動(dòng)性相關(guān)，決定著MOSFET的開態(tài)電流大小。

近期，由法國、英國、日本研究人員組成的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出在硼摻雜金剛石MOSFET中引入深層耗盡區(qū)的新方法。這一全新概念的提出，使金剛石MOSFET的結(jié)構(gòu)更為簡單，降低了制造難度。經(jīng)驗(yàn)證表明，新方法可將寬禁帶半導(dǎo)體的載流子遷移率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究成果發(fā)表在近期的《應(yīng)用物理快報(bào)》。

典型MOSFET是在硅基半導(dǎo)體材料上方先后沉積氧化層和金屬柵極，金剛石MOSFET需要將氧化層下方的半導(dǎo)體材料換成金剛石。通過在金屬柵極上施加電壓，可顯著改變柵極和氧化層下方金剛石溝道區(qū)域的載流子濃度及電導(dǎo)率。這種通過電的“場(chǎng)效應(yīng)”控制溝道電導(dǎo)率和MOSFET開、關(guān)狀態(tài)（分別對(duì)應(yīng)于電導(dǎo)通和電絕緣狀態(tài)）的能力，使金剛石MOSFET具備了在電力控制領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。目前已經(jīng)過演示的金剛石MOSFET主要依靠氫-終止修飾的金剛石表面實(shí)現(xiàn)空穴向溝道的遷移（帶正電荷的載流子）。最近 ，人們開發(fā)出具有氧-終止修飾表面結(jié)構(gòu)的金剛石MOSFET，與常見硅基MOSFET的運(yùn)行模式類似。然而，這種晶體管的開態(tài)電流過于依賴于溝道遷移率，且MOSFET的設(shè)計(jì)使溝道遷移率對(duì)氧化金剛石表面粗糙度和缺陷濃度極其敏感，會(huì)在這些地方發(fā)生載流子的散射。

為解決這一問題，研究人員探索了一種完全不同的晶體管運(yùn)行模式，即深層耗盡的概念。在構(gòu)建MOSFET時(shí)，研究人員首先在380攝氏度溫度下在氧-終止金剛石外延層的上方沉積一層氧化鋁（Al2O3）；然后對(duì)金剛石層實(shí)施硼摻雜，形成穩(wěn)定的耗盡區(qū)域，由于硼原子較碳原子少一個(gè)電子，因此會(huì)在金剛石層中產(chǎn)生空穴載流子。塊體金剛石外延層在功能上相當(dāng)于一個(gè)厚的空穴載流子溝道，通過在柵極施加電壓，可對(duì)深層耗盡區(qū)域內(nèi)的空穴載流子產(chǎn)生排斥和耗盡作用，從而控制晶體管的開啟和關(guān)閉。在硅基晶體管中施加電壓通常會(huì)導(dǎo)致反型層的產(chǎn)生，造成晶體管無法關(guān)閉。研究人員發(fā)現(xiàn)，正是金剛石獨(dú)特的物理特性，尤其是巨大的禁帶寬度，抑制了反型層的產(chǎn)生，使深層耗盡區(qū)域得以穩(wěn)定正常地運(yùn)行。

研究人員指出，該研究為更充分地開發(fā)金剛石在MOSFET領(lǐng)域的應(yīng)用潛力鋪平了道路。下一步，研究人員將在新設(shè)立的 “鉆石晶圓廠”（DiamFab）中對(duì)深層-耗盡氧-終止金剛石MOSFET進(jìn)行試生產(chǎn)。此外，研究人員還指出，此項(xiàng)研究工作的原理還有望應(yīng)用于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料。對(duì)金剛石進(jìn)行硼摻雜可以產(chǎn)生穩(wěn)定的深層耗盡區(qū)域，而對(duì)于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料采用另外的雜質(zhì)進(jìn)行摻雜也許同樣會(huì)形成穩(wěn)定的深層耗盡區(qū)。（工業(yè)和信息化部電子第一研究所 李鐵成）