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深层耗尽金刚石MOSFET提高载流子迁移率

日期:2017-11-28
来源:中国国防科技信息中心

   金刚石具有较高的禁带宽度、最高的热导率、极高的电子饱和迁移速率,被公认为是最理想、最具发展潜力的宽禁带半导体材料。然而,限制金刚石在MOSFET中应用的最大挑战在于提高空穴沟道的载流子迁移率,该迁移率决定着MOSFET的开态电流大小。

  近期,由法国、英国、日本研究人员组成的团队开发出在硼掺杂金刚石MOSFET中引入深层耗尽区的新方法。这一全新概念的提出,使金刚石MOSFET的结构更为简单,降低了制造难度。经验证表明,新方法可将宽禁带半导体的载流子迁移率提高一个数量级。参考文献《Deep depletion concept for diamond MOSFET》。

  典型MOSFET是在硅基半导体材料上方先后沉积氧化层和金属栅极,金刚石MOSFET需要将氧化层下方的半导体材料换成金刚石。通过在金属栅极上施加电压,可显著改变栅极和氧化层下方金刚石沟道区域的载流子浓度及电导率。这种通过电的“场效应”控制沟道电导率和MOSFET开、关状态的能力,使金刚石MOSFET具备了在电力控制领域应用的潜力。目前已演示的金刚石MOSFET主要依靠氢-终端金刚石表面(金刚石在氢等离子体氛围中处理之后形成的由碳-氢键覆盖的表面)实现空穴向沟道的迁移。最近,人们开发出氧-终端表面结构的金刚石MOSFET,但这种晶体管的开态电流过于依赖沟道迁移率,且沟道迁移率对氧化金刚石表面粗糙度和缺陷浓度极其敏感,会在这些地方发生载流子散射。

  为解决这一问题,研究人员探索了一种完全不同的晶体管工作模式,即深层耗尽的概念。在构建MOSFET时,首先在380℃温度下在氧-终端金刚石外延层的上方沉积一层Al2O3;然后对金刚石层掺杂硼,形成稳定的耗尽区域,由于硼原子较碳原子少一个电子,因此会在金刚石层中产生空穴载流子。块体金刚石外延层在功能上相当于一个厚的空穴载流子沟道,通过在栅极施加电压,可对深层耗尽区域内的空穴载流子产生排斥和耗尽作用,从而控制晶体管的开启和关闭。在硅基晶体管中施加电压通常会导致反型层的产生,造成晶体管无法关闭。但由于金刚石独特的物理特性,尤其是巨大的禁带宽度,抑制了反型层的产生,使深层耗尽区域得以稳定正常地工作。

  该研究为更充分地开发金刚石在MOSFET领域的应用潜力铺平了道路。研究人员随后将在新设立的金刚石晶圆厂中试生产深层耗尽氧-终端金刚石MOSFET。研究人员还指出,此工作原理还有望应用于其它宽禁带半导体材料:在其它宽禁带半导体材料中掺杂另外的杂质也许同样会形成稳定的深层耗尽区。

关键字:金刚石
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