法英日研究人员通过掺杂硼方法提高金刚石MOSFET的沟道迁移率性能,该法也可用于其它宽禁带半导体材料

日期:10-18  点击:793  属于:公司新闻

硅为功率电子产业提供了巨大效益。但硅基功率电子性能已接近极限,当前的功率电子产业已进入宽禁带(WBG)半导体时代。宽禁带半导体器件能效更高,已成为下一代电力电子领域场效应晶体管(FET)的主要竞争材料。这种FET技术将运用到各种可再生能源电网中,使可再生能源供电的汽车和火车发动机等收益。

法英日研究人员通过掺杂硼方法提高金刚石MOSFET的沟道迁移率性能,该法也可用于其它宽禁带半导体材料

  硅为功率电子产业提供了巨大效益。但硅基功率电子性能已接近极限,当前的功率电子产业已进入宽禁带(WBG)半导体时代。宽禁带半导体器件能效更高,已成为下一代电力电子领域场效应晶体管(FET)的主要竞争材料。这种FET技术将运用到各种可再生能源电网中,使可再生能源供电的汽车和火车发动机等收益。

  

 

  左图:MOSCAP和金刚石深层耗尽MOSFET(D2MOSFET)的光学显微镜图像。右上:金刚石D2MOSFET的扫描电子显微镜图像。S:源,G:栅,D:漏。 右下:D2MOSFET概念图。高迁移率沟道是硼掺杂的金刚石外延层。

  沟道迁移率低是一大挑战

  金刚石材料具有优异的物理性能,金刚石器件能够在更高的温度、电压和频率下工作,且损耗较小,所以金刚石被广泛认为是最理想的WBG材料。但在实现金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)时,最大挑战是提高空穴沟道中载流子迁移率的能力。该迁移率与电流流动相关,对MOSFET导通电流至关重要。

  掺硼新方法

  来自法国、英国和日本的研究团队采用体掺杂硼的金刚石MOSFET的深耗尽方式来解决这个问题。新方法证明,能够利用单一硼掺杂的外延层堆叠制造简单的金刚石MOSFET结构。这种针对WBG材料的新方法能够将沟道迁移率提高一个数量级。该研究成果已经发表于《应用物理学报》。

  在典型的MOSFET结构中,在半导体材料的顶部覆盖氧化层,然后是金属栅极,只是在本研究中半导体材料是金刚石。通过在金属栅极施加电压,使得栅极下面的金刚石沟道内的载流子密度和电导率发生显著变化。使用这种电的“场效应”来控制沟道电导率并将MOSFET从导通(导通状态)切换到高绝缘(关闭状态)的能力使得电场效应在功率控制领域受到广泛应用。目前已证明许多金刚石MOSFET依靠金刚石表面的氢终端将正电荷的载流体(称为空穴)转移到沟道中。最近证明了氧键金刚石MOS结构的操作,类似于硅MOSFET的常见工作模式。MOSFET的导通电流强烈依赖于沟道迁移率,并且在许多MOSFET设计中,迁移率对金刚石界面处的粗糙度和缺陷状态非常敏感,容易造成载流子的散射。

  为了解决这个问题,研究人员探讨了不同的工作模式,建立了MOSFET,研究人员在380℃环境下,在氧终端厚金刚石外延层上淀积了一层氧化铝(Al2O3)。通过在金刚石层中掺入硼原子而在产生空穴。硼比碳少一个价电子,因此在化合键中会缺少一个电子,其作用就像添加正电荷或空穴。体外延层作为厚导电空穴沟道起作用。通过施加电压来排斥和耗尽空穴 - 形成深度耗尽区,使晶体管从导通状态切换到截止状态。在硅基晶体管中,该电压将导致反型层的形成,晶体管将不会断开。研究人员能够证明金刚石具有独特性质,特别是大带隙,抑制了反型层的形成,从而使得晶体管在深度耗尽状态下运行。

  研究意义

  法国NEEL研究所研究人员同时也是本文作者的Julien Pernot说:“我们制造了一种晶体管,其中通过掺杂硼的金刚石外延层的体沟道传导确保了晶体管导通状态。通过深度耗尽区域引起的厚绝缘层保证晶体管的关断状态。我们的研究成果为金刚石在MOSFET方面的应用铺平了道路。”

  Pernot还表示:“该原理也适用于其它材料的宽禁带半导体材料。硼适用于金刚石材料,可以选择其它材料来为其它宽禁带材料构成稳定的深耗尽区域。”

  未来展望

  研究人员计划通过他们的DiamFab初创公司来制造这些结构的MOSFET。

  参考文献

  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

  来源:大国重器


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