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日本研究人员开发新的金刚石晶体管,空穴迁移率是传统 FET 的五倍

关键词 金刚石晶体管|2022-03-01 10:48:54|技术信息|来源 sciencedaily / Nature Electronics volume
摘要 由宽带隙半导体制成的场效应晶体管可以在高电压、高温度和高频率下以低能量损耗工作,对于电力和高频电子设备来说非常重要。然而,宽带隙p沟道晶体管与n沟道晶体管相比性能较差,使得互补电路...

     由宽带隙半导体制成的场效应晶体管可以在高电压、高温度和高频率下以低能量损耗工作,对于电力和高频电子设备来说非常重要。然而,宽带隙 p 沟道晶体管与 n 沟道晶体管相比性能较差,使得互补电路难以实现。氢端金刚石是此类器件的潜在 p 型材料,但表面转移掺杂被认为是产生导电性限制性能所必需的,因为它需要电离的表面受体,从而导致空穴散射。


       利用一种新的制造技术,日本国立材料科学研究所(NIMS)开发了一种具有高空穴迁移率的金刚石场效应晶体管(FET),这可以降低传导损耗并提高运行速度。这种新的FET也表现出正常的关闭行为(即,当没有栅极电压时,通过晶体管的电流停止流动,这是一个使电子设备更安全的特性)。这些结果可能有助于低损耗功率转换和高速通信设备的开发。

       金刚石具有优异的宽禁带半导体特性:其禁带宽度大于已投入实际应用的碳化硅和氮化镓。因此,金刚石可能被用于制造电力电子设备和通信设备,这些设备能够在更高的速度、电压和温度下更高效地运行。之前已经进行了许多研发项目,目的是利用氢端钻石(即钻石表面的碳原子与氢原子共价结合)制造 FET。然而,这些工作未能充分利用金刚石优异的宽带隙半导体特性:这些金刚石集成晶体管的空穴迁移率(衡量空穴移动速度的指标)仅为集成前金刚石的 1-10%。


研究成果

       这项工作展示了使用氢端金刚石通道和六方氮化硼栅极绝缘体可以在没有表面转移掺杂的情况下创建 p 通道宽带隙异质结场效应晶体管。尽管降低了表面受体的密度,由于具有较高的室温霍尔迁移率(680 cm2 V−1 s−1),与其他p通道宽频带隙晶体管相比,该晶体管具有较低的薄片电阻(1.4 kΩ)和较大的ON电流(1600 μm mA mm−1)。晶体管也表现出正常的OFF行为,开/关比为108。

       通过使用六方氮化硼 (h-BN) 作为栅极绝缘体代替传统使用的氧化物(例如氧化铝),并采用能够防止表面氢终止的金刚石暴露在空气中。在高空穴密度下,这种 FET 的空穴迁移率是具有氧化物栅极绝缘体的传统 FET 的五倍。具有高空穴迁移率的 FET 可以以较低的电阻运行,从而降低传导损耗,并可用于开发更高速度和更小的电子器件。该团队还演示了 FET 的常关操作,这是电力电子应用的一个重要特征。新的制造技术能够从氢端金刚石表面去除电子受体。这是该团队成功开发高性能 FET 的关键,尽管这些受体通常被认为是在氢端金刚石中诱导导电性所必需的。

       这些结果是开发用于高性能电力电子和通信设备的高效金刚石晶体管的新里程碑。该团队希望进一步提高金刚石场效应晶体管的物理性能,使其更适合实际使用。


图片概况

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图1:带hBN栅极绝缘体和石墨栅极的金刚石场效应晶体管



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图2:没有暴露在空气中的氢端金刚石上受体密度的降低



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                                                            图3:金刚石 FET 在室温下的电气特性


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                          图4:金刚石 FET 与温度相关的电气特性

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图5:金刚石FET的室温性能与前期工作的对比







文献信息:

Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, Yamaguchi Takahide. High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures. Nature Electronics, 2021; 5 (1): 37 DOI: 10.1038/s41928-021-00689-4




 

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