高效节能的单片集成互补电路的开发与发展是宽带隙半导体基高频、高功率场效应晶体管(FETs)大规模应用的关键。然而，目前氮化镓以及碳化硅等宽带隙半导体的高效p型掺杂仍未解决，低空穴浓度与空穴迁移率使得高性能p型沟道场效应晶体管的实现仍然面临着巨大的挑战，这严重阻碍了互补逻辑电路的发展和电力电子器件的大规模应用。近日，哈工大红外薄膜与晶体团队首次基于高空穴密度的(110)晶面金刚石设计并制备了增强型p沟道金刚石场效应晶体管。得益于低功函数金属栅极/二维空穴气沟道之间稳定的功函数差以及高效的静电栅控，所开发的器件不仅表现出出色的常关特性的再现性，并且以协同方式实现了低静态待机功耗以及大电流与大电压处理能力，包括创纪录的超高开关比(~1010)、极低关断电流(~fA/μm)、高电流密度(~200μA/μm)、高击穿电压(-676 V)。这项工作为实现节能互补电路提供了性能优越的p沟道场效应管，为宽带隙半导体电力电子领域的加速发展奠定了基础。相关成果以Ultrahigh
On/Off Ratio (110) Diamond Transistors with Exceptional Reproducibility of
Normally Off Characteristics为题发表在《Journal of Physical Chemistry Letters》，并登上当期封面。第一作者为博士生张文超。Zhang W, Liu B,
Zhang S, et al. Ultrahigh On/Off Ratio (110) Diamond Transistors with
Exceptional Reproducibility of Normally Off Characteristics[J]. The Journal of
Physical Chemistry Letters, 2024, 15: 9301-9310.
DOI：10.1021/acs.jpclett.4c02040
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c02040宽带隙半导体基晶体管具有低功耗、高工作电压和高迁移率等优点，在射频(RF)功率放大器和功率转换器等高频、高功率电子器件领域起着举足轻重的作用。为了驱动和控制这些电子器件，以及满足电源开关应用和故障安全系统的要求，单片集成的外围逻辑电路被热切地追求。具有超宽带隙、高导热性、高载流子迁移率、高击穿场强和高载流子饱和速度等优异的物理和电学特性的金刚石正成为下一代电力电子器件领域极具吸引力的候选材料。同时由于具有更高的C-H偶极子密度，(110)晶面氢终端金刚石表面在转移掺杂之后，二维空穴气体(2DHG)密度可达~1013cm-2，这为实现高性能常关p沟道场效应晶体管管提供了令人兴奋的机会。本研究通过考虑2DHG沟道能带，利用低功函数金属栅极构建了栅极与沟道之间稳定且足够高的功函数差，进而实现了不加偏压下沟道的完全耗尽以及极低的关断电流。高空穴密度的(110)晶面氢终端金刚石以及高质量氧化层的使用确保了器件出色的大电流与大电压处理能力。另外，氢终端金刚石表面吸附的负电荷受主的热解吸被证明可以减少沟道的载流子散射，进而提高载流子迁移率。通过对氢终端金刚石表面的能带分析，发现价带顶仅仅高于平衡后的费米能级50 meV左右。同时考虑到氢终端金刚石表面能带是上弯的，因而利用低功函数金属栅极可以使得整个沟道层的价带顶均低于费米能级，也就意味着不需要像传统半导体一样考虑耗尽层宽度就可以实现导电沟道层的完全耗尽，即实现常关特性。根据转移特性曲线，器件的阈值电压为-1.04 V，证实了常关特性。我们同时对制备的多个器件的转移曲线进行了汇总与分析，结果显示所有的器件一致地表现出常关特性，并且阈值电压具有极小的分布(-0.37±0.3 V)，这对逻辑电路的大规模生产至关重要。![]()
根据X射线光电子能谱分析，栅介质与(110)晶面金刚石之间存在大价带偏移(2.61
eV)，这对p沟道FET来说有利于降低栅极泄漏电流，测试结果显示在-5 V的栅极电压下栅极漏电流为1.2
× 10–7 A·cm–2，远小于其他报道中使用的栅介质材料。另外，根据器件的电容-电压特性测试，推导出栅介质层的捕获电荷密度及固定电荷密度均很低(分别为8.4
× 1011 cm–2和4.9 × 1011cm–2)，表明栅介质层的高质量。综合来看，栅介质层可以保证高效的静电栅控，这是器件展现出优异综合性能的重要原因。![]()
图2 金刚石场效应晶体管的阈值电压分析与氢终端金刚石/栅介质异质结构的能带分析进一步，我们评估了金刚石场效应晶体管的相关电学特性。所制备的器件具有超过10个数量级的超高开关比，是报道过的氮化镓和碳化硅基p沟道FETs及常关金刚石FETs中的最高值。值得注意的是，在待机模式（关闭状态）下电流密度仅仅只有~fA·µm–1，即使在VDS= -200 V下也小于2 pA·µm–1，这可以保证极低的静态待机功耗。另外(110)晶面氢终端金刚石表面更高的C-H偶极子密度赋予了更高的表面导电性，使得器件具有优异的输出特性，最大电流密度为-193.5
µA·µm–1，与目前报道的相关工作对比是极具竞争力的。![]()
为了评估器件的大电压承受能力，我们进行了击穿电压测试。测试结果显示器件具有最高-676 V的击穿电压，平均击穿场强在0.6-0.9MV/cm之间。本工作将高输出电流和高击穿电压集成在同一器件内，不仅提高了大电流和大电压处理能力，并且预计将为未来实现基于金刚石的节能互补逻辑电路提供高性能和低待机功耗的p-FET，并为金刚石场效应晶体管在大功率电子系统中的实际应用铺平道路。![]()
哈尔滨工业大学航天学院材料科学与工程博士，主要从事金刚石晶体生长及功率器件研究哈工大青年拔尖副研究员，新时代龙江优博。从事金刚石材料生长、晶体管器件、同位素电池等研究。任《真空与低温》期刊青年编委。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金青年基金、博士后基金面上项目、省博士后面上基金以及基础研究院所稳定支持项目，以核心骨干身份参与重点研发、战略国合等多项重大科研项目。在Carbon等期刊发表学术论文20余篇，其中第一/通讯作者10余篇，封面文章4篇。撰写论著章节2章。申请发明专利21项，授权11项，其中美国专利1项，省发明专利奖金奖1项，澳门国际创新发明展金奖1项。指导学生获挑战杯国家三等奖1项，省挑战杯一等奖1项，哈工大祖光杯金奖1项。获龙江优博重点资助、黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师奖。END
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图文：张文超
编辑：范赛飞
出品：红外薄膜与晶体
