硅為功率電子產業提供了巨大效益。但硅基功率電子性能已接近極限，當前的功率電子產業已進入寬禁帶(WBG)半導體時代。寬禁帶半導體器件能效更高，已成為下一代電力電子領域場效應晶體管(FET)的主要競爭材料。這種FET技術將運用到各種可再生能源電網中，使可再生能源供電的汽車和火車發動機等收益。

法英日研究人員通過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

　　硅為功率電子產業提供了巨大效益。但硅基功率電子性能已接近極限，當前的功率電子產業已進入寬禁帶(WBG)半導體時代。寬禁帶半導體器件能效更高，已成為下一代電力電子領域場效應晶體管(FET)的主要競爭材料。這種FET技術將運用到各種可再生能源電網中，使可再生能源供電的汽車和火車發動機等收益。

　　左圖：MOSCAP和金剛石深層耗盡MOSFET(D2MOSFET)的光學顯微鏡圖像。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。但在實現金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)時，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相關，對MOSFET導通電流至關重要。

　　摻硼新方法

　　來自法國、英國和日本的研究團隊采用體摻雜硼的金剛石MOSFET的深耗盡方式來解決這個問題。新方法證明，能夠利用單一硼摻雜的外延層堆疊制造簡單的金剛石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數量級。該研究成果已經發表于《應用物理學報》。

　　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生顯著變化。使用這種電的“場效應”來控制溝道電導率并將MOSFET從導通(導通狀態)切換到高絕緣(關閉狀態)的能力使得電場效應在功率控制領域受到廣泛應用。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，類似于硅MOSFET的常見工作模式。MOSFET的導通電流強烈依賴于溝道遷移率，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非常敏感，容易造成載流子的散射。

　　為了解決這個問題，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)。通過在金剛石層中摻入硼原子而在產生空穴。硼比碳少一個價電子，因此在化合鍵中會缺少一個電子，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。通過施加電壓來排斥和耗盡空穴 - 形成深度耗盡區，使晶體管從導通狀態切換到截止狀態。在硅基晶體管中，該電壓將導致反型層的形成，晶體管將不會斷開。研究人員能夠證明金剛石具有獨特性質，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下運行。

　　研究意義

　　法國NEEL研究所研究人員同時也是本文作者的Julien Pernot說：“我們制造了一種晶體管，其中通過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。通過深度耗盡區域引起的厚絕緣層保證晶體管的關斷狀態。我們的研究成果為金剛石在MOSFET方面的應用鋪平了道路。”

　　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為其它寬禁帶材料構成穩定的深耗盡區域。”

　　未來展望

　　研究人員計劃通過他們的DiamFab初創公司來制造這些結構的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

　　來源：大國重器