表面终端金刚石场效应晶体管的研究

摘  要 
金刚石因具有极高热导率、5.5ev宽带隙、极高击穿电场、高固有载流子迁移率和低介电常数等优异性能,在高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件领域中成为有力的竞争者。然而,研究人员对金刚石半导体掺杂技术进行了几十年的探索和优化,却仍然无法满足当前电子器件的应用需求。最近,随着h终端金刚石表面二维空穴气的发现,研究重心逐渐转向优化h终端金刚石的导电特性及制备场效应晶体管(fet)。综述了h终端金刚石研究的发展历程,从栅层材料选择、表面终端处理、金刚石掺杂和fet结构优化出发,归纳了提升表面终端金刚石fet器件性能的方法,并对表面终端金刚石fet的发展前景进行了总结和展望。
研究背景
金刚石不仅具有包括最高的硬度、极高的热导率、达5.5ev的宽带隙、极高的击穿电场和高固有载流子迁移率等多种卓越性质[1-2],同时还具有耐化学腐蚀、耐高温、抗辐照能力强和表面稳定性高等优点,因此它在大功率器件、精密加工、热管理、量子传感、污水处理、生物传感等领域得到了广泛应用[3-5]。si、第三代宽禁带半导体sic、gan和金刚石材料[1-2]的基本参数和baliga高频评价指数[6]列于表1。由表1可知:金刚石在下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件中具有极为显著的优势,故其被业界誉为“终极半导体”。
几十年来,研究人员一直试图在各种电子设备应用中实现金刚石的理想性能。与大多数半导体材料一样,金刚石材料必须进行杂质掺杂,以获得稳定的高载流子浓度,但对金刚石进行n型掺杂的研究结果一直不太理想[7]。掺s的金刚石晶格畸变较多,降低了s的电活性[8],且低温时会呈现p型导电[9];而n和li掺杂后均为深杂质能级,通常为绝缘体[10-11];p掺杂会在金刚石中形成导带底下0.58ev的杂质能级[12],且掺杂后的载流子迁移率很低。目前,虽然有一些研究表明[7,13-15],复杂掺杂物可以实现金刚石的n型掺杂,但都难以重复和应用。
在p型掺杂方面,使用b作为掺杂元素是最常见的方法。然而,b掺杂金刚石后的电离能约为0.36ev,这意味着即使在室温下仍然难以电离,导致载流子浓度较低[16]。而高浓度b掺杂会导致空间电荷效应,从而降低载流子迁移率[17],影响导电性能,并降低金刚石的晶体质量。因此,尽管b掺杂金刚石的工艺相对成熟,且已在污水处理、传感器等行业中得到了广泛应用[18],但其在电子器件领域中的应用仍然受到限制。
近年研究发现,将h终端金刚石表面与气体分子、氧化物、电荷等接触,进行转移掺杂后,可以形成良好导电特性的二维空穴气(two dimensional hole gas,2dhg),这提供了1种金刚石半导体应用的新途径,同时避免了传统掺杂带来的严格限制[6]。h终端金刚石非常适合平面器件的制备,效应晶体管(field effecttransistor,fet)是其应用最广的领域。本文首先综述了近年来h终端金刚石fet器件的研究和发展情况,包括h终端金刚石的发现历程及二维空穴气的产生机理。然后,从栅层材料的选择、表面终端处理、金刚石掺杂和fet结构优化等方面入手,总结了目前研究中对h终端金刚石的优化方向和进展。最后,展望了表面终端金刚石fet器件未来的发展前景。
1 h终端fet的历史发展 
1.1 气体分子
虽然金刚石半导体的b掺杂研究较为成熟,但b的激活能较高,常温下难以电离,限制了其在电子器件领域的发展[16]。最近的研究发现,h终端金刚石(见图1)具有p型导电,这引起了研究人员的广泛关注。
1989年,landstrass 等[19]研究发现,未使用任何杂质掺杂技术制备的h 终端金刚石表面电导率为1×10-6 ω-1⋅cm-1。gi 等[20-21]通过实验证明了电子转移依赖于 h 终端金刚石的环境气氛,并有实验表明 h 终端金刚石表面存在负电子亲和势[22],其导电表面下存在空穴积累层[23]。maier 等[24]进一步证实了由于表面存在的空气分子能够作为电子受体,h终端和环境空气暴露能够增强金刚石表面的电导率。 经过长时间的理论发展和实验探索,金刚石氢终端表面的转移掺杂导电机理得到了广泛认可。
当h 终端与水蒸气接触时会形成水合氢润湿层,润湿层会吸附一些低非占据电子能态的气体(氧气、甲酸、二氧化碳等),价带电子向低非占据能态吸附层的跃迁,使亚表面层积累足够多的空穴,最终形成导电的二维空穴气(2dhg),从而实现金刚石表面导电[6,25]。 选用不同的气体分子作为掺杂物会明显影响 h终端金刚石的电导率,h 终端金刚石的导电特性波动十分巨大,其迁移率和典型载流子浓度的变化范围分别为 20—100cm2 ⋅v-1 ⋅s-1 和 1×1012—1×1013cm-2[26-27]。这可能是由于存在太多难以控制的变量,如金刚石表面形态、h 终端密度、表面污染、自然发生的大气吸附物、衬底组成和金刚石晶体质量等。空气掺杂 h 终端金刚石的电学特性差异大,但2dhg 的载流子密度很少超过 1×1013 cm-2。
相比于空气吸附转移掺杂,直接选用特定气体分子作为转移掺杂物可显著提高 h 终端金刚石的导电特性(见图 1)。富勒烯分子 c60 及其氟化变体具有较高的电子亲和势,是首批 h 终端金刚石上的电子受体分子之一。c60 作为转移掺杂物时,h 终端金刚石的空穴载流子浓度与空气暴露产生的相当[28-29]。此外,riedel 等[30]研究发现,在臭氧环境下进行退火可增强 h 终端金刚石表面导电性,这是因为臭氧可能产生部分 o 终端,导致局部键合,消除或降低了电子交换的势垒,提高了表面导电性[30]。 虽然选用特定的气体分子可以提高 h 终端金刚石的电导率,但分子吸附层本身稳定性和均一性很低的问题依旧没有解决,难以应用于电子器件。
1.2 金属氧化物
为了综合提高 h 终端金刚石材料作为电子器件的稳定性和导电性,人们将研究重心逐渐转向许多固体包封材料,其中金属氧化物最为普遍。高电子亲和势(electronaffinity,ea)和功函数的过渡金属氧化物(transitionmetaloxides,tmos)已被证明是有效的 h 终端金刚石表面掺杂物。 当转移掺杂物的电子亲和势较高时,表面电子受体导带位于 h 终端金刚石价带下方,费米能级对齐会导致能带向上弯曲从而在金刚石表面形成2dhg,这一发现引起了众多学者的广泛关注。2013 年,russell 等[31]研究发现,三氧化钼(moo3)可以诱导转移 h 终端金刚石表面电子,使 2dhg 载流子浓度提升了一个数量级,且在金刚石/moo3 界面中发现了清晰的电荷分离。
之后,五氧化钒(v2o5)[32-33] ,三氧化钨(wo3)[32,34],三氧化铼(reo3)[23,34],五氧化铌(nb2o5)[32]和三氧化铬(cro3)[35]等相继被用作掺杂物。其中 moo3、v2o5 和 wo3 的载流子密度超过1×1014 cm-2[32,34],v2o5 和 moo3 可在 300℃ 下实现高温稳定性[26,36],而 reo3 可达 400℃[34]。相比于气体分子,tmos 是 1 种更有吸引力的电子转移掺杂物,它们可在更大的温度范围内具有更强的稳定性,并且在由具有可控性能的固体材料驱动下,可产生稳定可靠的高载流子浓度。图 2 为与金刚石带隙有关的 tmos 材料导带的比较[6]。
后续实验发现,在不引入其他气体分子或表面终端时,具有较低ea 的 al2o3 依然能够作为 h 终端金刚石的转移掺杂物,产生 2dhg[37]。这一现象引起了学者们的讨 论,可能的解释有两种:其一为ald 技术制备 al2o3 层会产生间隙氧和 al 空位[38];其二为 al2o3 与 h 终端金刚石存在相互作用键合[39]。这两种解释都能与实验较好符合,同时表明了电荷掺杂和键合也可以在 h 终端金刚石表面产生 2dhg。 这些金属氧化物大多就是 fet 器件中较为常用的栅层材料,制备工艺较为成熟,且稳定性良好,这一发现极大地促进 了 h 终端金刚石在电子器件领域的发展。
1.3 金属电极接触
尽管 h 终端金刚石半导体材料已经具有良好的导电性、环境稳定性和热稳定性,但使其应用于电子器件领域,还需要研究其与金属等电极材料的接触特性。 1994 年,aoki 等[40]研究了 cvd 制备的 h 终端金刚石表面与各种金属的接触特性,结果表明,界面肖特基势垒高度(schottkybarrierheight,sbh)与 h终端金刚石表面沉积金属的功函数有很强的相关性。这是由于 h 终端金刚石表面可降低费米钉扎,使得其表面状态受到金属功函数的影响,高功函数金属在 h 终端金刚石上表现出线性欧姆响应,而低功函数金属被用于产生与大肖特基势垒的接触[41-42]。
在 mosfet 器件中,源漏级的金属电极需要与 h 终端金刚石具有较好的欧姆接触。具有较高功函数的 au、ag、cu、ir、pt 和 pd 被证明可以在 h终端金刚石表面产生欧姆接触(见图 3(a)),是备选的 h 终端金刚石 fet 的金属电极[43-48]。这些金属中,由于 au 用于电子器件领域的沉积工艺较为成熟,它成为了 h 终端金刚石上最常用的欧姆接触电极[47-49]。
此外,一些研究表明部分碳化物同样可以与 h终端金刚石实现欧姆接触[50-51]。jingu 等[50]首先将ti 制备在 o 终端金刚石上,然后用氢等离子体金刚石进行处理以获得 h 终端,最后测得 tic 与金刚石的最终接触电阻约为9ω⋅mm,tic 与 h 终端金刚石接触的制备流程如图 3(b)所示。vardi 等[51]研究了由钨形成的碳化物接点,其接触电阻为 2.6ω⋅mm,且具有良好的机械稳定性。这些研究还表明,碳化物接触电极可以在氢等离子体暴露下稳定存在。 因此,高功函数金属和碳化物可以与 h 终端金刚石实现欧姆接触,且工艺较为简单集成,可以作为fet 器件的源漏电极。
1.4 h终端mosfet实现
随着h终端金刚石材料的研究日益深入,其电子器件的设计开发呼之欲出,其中fet是最被关注的领域。 在1994年,kawarada等[52]使用cvd生长的h终端金刚石衬底(100),通过空气暴露转移掺杂实现导电性,结合al栅极的肖特基栅、au源漏极的欧姆接触,首次实现了h终端金刚石三端增强型fet 的制备。该器件的栅极长度为 10µm,其最大漏极电流为1.6ma⋅mm-1,非本征跨导高达200µs⋅mm-1;将栅极长度增加到41µm,由于更大栅极的耗竭区域增加,可以完全关闭器件,进而将非本征跨导降低到20µs⋅mm-1,最大漏极电流降低到0.14ma⋅mm-1。这项工作开创性地验证了将h终端金刚石用于电子领域的潜力,从这项工作开始,利用h终端金刚石转移掺杂的fet技术得到了长足的发展。
使用气体分子作为转移掺杂物可以产生2dhg,有 望借此制备出 h 终端金刚石 fet 器件。但气体分子的稳定性较差,于是部分研究者利用al2o3等绝缘层对 h 终端表面进行钝化封装,提高了气体分子转移掺杂产生 2dhg 的稳定性[53-54]。no2作为转移掺杂物时的空穴浓度比空气掺杂时要高一个数量级[55-56],是较优的气体分子转移掺杂物。2022 年,makotokasu 等[53]在高质量异质外延金刚石衬底上使用 no2 作为转移掺杂物,利用 al2o3 进行钝化封装,制备了 h 终端金刚石 mosfet(见图4(a))。该器件具有 7.54mω⋅cm2 的低比导通电阻和0.68a⋅mm-1的高漏极电流密度,沟道关闭状态下的击穿电压高达-2568v,器件还具有 874.6mw⋅cm-2的最大可用功率密度,达到了当时金刚石器件的最高报告值。后续,他们进一步优化工艺,将击穿电压进一步提高到了-3326v[54]。
钝化封装技术一定程度上提高了气体分子掺杂后器件运行的稳定性,但这不仅增加了制备工艺,也依旧难以保证掺杂后 fet 器件的均一性。而在 h终端金刚石表面直接沉积氧化物实现转移掺杂,既简化了制备工艺,又保证了 fet 的稳定性和均一性[57]。colangeli 等[58-59]利用 v2o5 制备了器件,研究了不同金刚石晶面制备的 fet 的空穴浓度(见图 4(b)),其高电子亲和势允许 h 终端金刚石产生2dhg。liu 等[60]利用电子束蒸发技术直接在 h 终端金刚石上生长 y2o3 氧化物绝缘体,制备了增强型h 终端金刚石 fet,y2o3 薄膜中的正电荷可能补偿了空穴积聚,使得 fet 具有明显的常关特征,最大漏源电流为 114.6ma⋅mm-1。
2 表面终端金刚石fet 的研究现状
在大多数情况下,h 终端金刚石 fet 表现出常开特性,难以实现安全、节能和逻辑电路的应用,特别是由耗尽模式和增强模式组成的 h 终端金刚石not 和 nor 逻辑电路,因此迫切需要研制增强型h 终端金刚石 fet[61]。此外,为了提升器件性能以 满足不同的应用需求,研究者们通过对栅层的制备、表面终端、金刚石掺杂、fet 结构等方面研究,优化了金刚石 fet 的阈值电压、载流子浓度、载流子迁移率、击穿电压等。
2.1 栅介电层材料
2.1.1 铁电栅层材料
铁电材料作为 fet 的栅层时,其负电容特性可以大幅降低亚阈值摆幅,使其小于传统 mosfet器件的玻尔兹曼极限 60mv⋅dec-1[62],提高了 fet的开关速率。此外,铁电材料具有剩余极化,有望同时实现无外加电场时保持 fet 器件的开关状态。 2009 年,liao 等[63-64]首先使用 pb(zr0.52,ti0.48)o3(pzt)铁电材料作栅,al2o3 作为绝缘层,掺硼单晶金刚石半导体制备了 fet,可应用于非易失性存储器和微机电加工技术。传统铁电材料 pzt 等的复杂制备工艺容易破坏 h 终端金刚石表面[65],要求插入绝缘层以提高铁电材料质量,而 2dhg 进一步缩小了绝缘层材料的选择,这严重限制了 h 终端金刚石的铁电 fet 发展。相比于 pzt,有机铁电材料聚偏氟乙烯(poly(vinylidenefluoride),pvdf)及其共聚物为柔性薄膜,其制备简单、化学惰性好且受界面问题影响较小[66]。  2016 年,kawae 等[65]使用偏氟乙烯(vdf)-三氟乙烯(trfe)共聚物铁电材料作为栅极,制备了h 终端金刚石 fet(见图 5(a))。
当栅极电压从 20v扫至-20v 时,饱和漏极电流最大值为 50ma⋅mm-1,最大开关电流比和线性迁移率分别为 108 和398cm2⋅v-1⋅s-1;此外,通过 vdf-trfe 栅极的剩余极化调制 fet 结构的漏极电流,在不施加直流栅极电压的情况下获得了 103的开关电流比。 hfzrox 铁电材料进一步克服了其他铁电材料难以集成、需要高温退火、高工作电压、大厚度等缺点。zhang 等[67]首次展示了一种具有铁电 hfzrox/al2o3 堆叠栅极介质的 h 终端金刚石负电容 fet[67](见图 5(b))。在 7.3—9.2v 宽的记忆窗内,测得的最大开关比为 109,栅电压从-10.0v 到 10.0v,亚阈值摆幅约为 58mv⋅dec-1,小于玻尔兹曼极限。这些结果表明,hfzrox/al2o3/h 终端金刚石 fet 为金刚石增强型 fet、负电容 fet 和高密度集成非易失性存储器提供了新的可能性。
2.1.2 其他栅层材料
一些栅层材料因其优异特性在si 半导体器件、热离子电子源等领域有所应用,这些栅层材料的选用可能会简化 h 终端金刚石器件的制备工艺,制备增强型 fet,优化其导电特性[68]。 金属 y 的功函数较低且沉积工艺简单,不会破坏金刚石的表面终端,是增强型金刚石 fet 的候选栅层材料。zhang 等[69]首次将 y 应用于 h 终端金刚石 fet,y 和金刚石间有 10nm 厚的 al2o3 介电层。在栅极电压为 7v、漏极源电压为 20v 时,栅极长度为8µm 的 fet 的最大漏极源电流为-53.9ma⋅mm-1,电流开关比超过 109,亚阈值摆幅为 198mv⋅dec-1。但较厚的介电层导致 fet 仍为常开模式,因此该组进一步优化了介电层厚度,分别采用了 5nmal2o3介质层[70]和无介电层[71]方案,成功制备了常关 y 栅金刚石场 fet。
然而,随着介质层的降低,fet 的阈值电压提高且在大电压下栅层易被击穿,限制了y 栅 fet 的应用。 直接对金属进行氧化制备 h 终端金刚石 fet的栅层,可以简化制备工艺。wang 等[72]利用 6 nm 厚的 al 薄膜在室温空气中的自氧化制备了 alox层,实现了 h 终端金刚石 fet。alox介质层能有效降低泄漏电流,vds =-15v 时,阈值电压为-0.4v。zhang 等[73]利用电子束蒸发技术在 h 终端金刚石表面沉积了 5nm 的 ti 薄膜,然后在 120℃的空气中热氧化 10h,形成 ti/tiox,成功制备了增强型金刚石 fet。在 vds 为 -8v 时,fet 的阈值电压为-0.14v,ti 和 h 端金刚石之间功差的不同,从而耗尽了 h 终端金刚石的空穴载流子,使得器件表现为常关特性。 六硼化镧(lab6)具有低功函数、高熔点、低挥发性、低电阻率和高化学稳定性等特点,是热离子电子源领域的常用材料[74],wang 等[75]采用 lab6 制备了一种增强型 h 终端氢金刚石 fet,其产生增强模式的原因是 lab6 层的电子流入 2dhg 沟道并对空穴进行补偿,导致导电沟道关闭。氟化钡(baf2)薄膜是 1 种应用广泛的宽禁带能(10.6ev)绝缘材料[76],he 等[77]利用 al/baf2 栅极材料制备了高性能增强型金刚石 fet(见图 6(a))。该增强模式主要是由于栅极金属对通道的肖特基势垒损耗效应,其次是 baf2 层中存在的正固定电荷。器件在 vgs 为-2.1v,有效空穴迁移率约为 225.0cm2⋅v-1⋅s-1。
为解决一些栅层材料制备工艺会破坏表面 h终端和栅层材料本身的问题,一些研究者提出了使用 al2o3 作为过渡栅层[78]。liu 等[79]研究了高介电常数材料 zro2/al2o3 双分子层的能带结构、zro2/al2o3 双分子层的击穿场强及栅漏距离对金刚石fet 性能的影响。他们还采用 ald 制备 al2o3 薄膜作为 tio2 和 h 终端金刚石表面之间的缓冲层,抑制了等离子体放电效应,降低了漏电流[80]。但采用两种栅层材料不可避免地增加了 h 终端金刚石fet 的工艺流程,提高了制备成本。
目前使用的各种栅层与表面终端金刚石接触时,其转移掺杂形成的电离表面受体会产生空穴散射,降低了空穴迁移率,限制了表面终端金刚石器件的性能。而二维材料无悬挂键的特性可以提供更良好的界面状态,提高器件载流子迁移率。sasama 等[81-82]以单晶六方氮化硼(h-bn)作为栅极电介质,制备了常态关的 h 终端金刚石 fet,并测试了输出特性曲线(见图 6(b))。界面处的表面受体密度降低,但 2dhg 具有较高的室温霍尔迁移率(680cm2⋅v-1⋅s-1),与其他 p 通道宽带隙 fet 相比,器件具有较低的片电阻(1.4kω)和较大的 on 电流(1600µm⋅ma⋅mm-1),开关比为 108。但使用二维材料作为栅层会导致在大电压情况下,栅极可能首先被击穿,这会显著降低 h终端金刚石 fet 的击穿电压[82]。
2.2 表面端基
除 h 终端金刚石外,o、f、si 等终端的金刚石也曾被广泛研究,他们的电子亲和势差别较大,因此改变金刚石表面终端构成,可以极大地影响 2dhg 的导电特性[83]。 相比于其他氧化物绝缘层,sio2 具有最宽的带隙和更简单的制备流程,更有利于功率器件的制备与应用,因此对 si 终端金刚石 2dhg 的性质及电场效应对其导电性的影响进行研究十分有必要[84]。2015 年,schenk 等[85-86]研究了在真空 si 终端金刚石的形成和表面表征,发现了氧化 si 终端金刚石上的能带弯曲。 2020 年,fei 等[84]在 sio2 掩膜的选择性外延生长过程中,利用 si 终端取代掩膜下金刚石原本的 o终端。研究发现:高温的选择性生长及还原气氛使sio2 中的 si 原子与金刚石表面相互作用,从而形成由金刚石表面单层或多层 c-si 键组成的 si 终端金刚石,利用 si 终端金刚石制备的 fet 均表现出增强模式特性,且 si 终端金刚石的导电性同样受到电场调制。
之后,浮现出了一些新的 si 终端金刚石导电沟道的制备方法,zhu 等[87]在还原气氛中对 sio2 栅绝缘体进行退火,在(111)金刚石衬底上构建了金刚石/si 界面,采用 si 终端金刚石的导电通道制备了相应的 fet(见图 7(a)),检测表明 sio2 薄膜和(111)金刚石之间界面良好,这确保了其较高的沟道空穴迁移率 200cm2⋅v-1⋅s-1 和较低的界面态密度3.8×1011 cm-2⋅ev-1。2022 年,fu 等[88]利用分子束沉积技术实现原子尺度 si 沉积,优化了 si 终端金刚石的制备方法。与 h 终端不同,o 终端金刚石的电子亲和势高达+1.7ev[89],难以实现转移掺杂产生 2dhg,因此一些研究人员想到以此来制备增强型金刚石表面终端 fet[90-91]。kitabayashi 等[90]利用氧化部分导电沟道制备了 h 终端金刚石 fet,该器件在室温下表现出超过 2kv 的高击穿电压和常断特性(见图 7(b))。chen 等[91]采用 al2o3纳米粒子掩膜的超强力臭氧工艺制备了部分 o 终端金刚石,与 al/h 终端金刚石相比,al/o 终端金刚石结构具有更高的 sbh,可以很好地抑制金刚石 fet 关闭状态下的漏电流。
2.3 金刚石掺杂与fet 结构
除了对金刚石表面终端和栅层的优化外,一些研究者通过改变金刚石 fet 结构,调控金刚石的掺杂[92-93]和晶体取向[59]等,从而优化表面终端金刚石 fet。对金刚石材料进行掺杂,可以显著改变其载流子浓度,调控 2dhg 导电特性,增加 fet 的耐击穿场强。kawarada 等[92]使用离子注入在 h 终端导电沟道下方形成一层薄的 n 掺杂层,实现了增强型金刚石表面终端 fet(见 图 8(a))。n 是深层供 体(1.7ev),氮掺杂层抑制了近表面空穴的积聚,fet 的阈值电压高达-2.5v,室温击穿场强为2.7mv⋅cm-1。在 64 个具有相同栅极长度的设备中,75% 表现为增强型特性。 对源漏区的金刚石材料进行掺杂,可以优化其与金属电极的接 触,实 现低欧姆接触电阻。zhu等[94]报道了一种高漏极电流密度的增强型 h 终端金刚石 mosfet,在多晶金刚石衬底上沉积了大量掺硼层作为源漏区,以栅极宽度归一化计算的最大电流密度为-400ma⋅mm-1。进一步研究发现,掺杂 b 的源和漏极可以提供高浓度的空穴,提高了由h 终端引起的表面 p 型通道电输运特性[93]。
此外,部分研究者借鉴传统 mosfet 器件的结构,制备出了导通电流更高的 h 终端金刚石器件。tsunoda 等[95]研究了一种具有沟槽栅结构的低导通电阻的(001)垂直型 h 终端金刚石 fet(见图 8(b))。研究发现:在引入沟槽栅结构后,器件的有源面积减小,显著提高了 fet 器件的集成度,并获得了更大的导通电流。在 vds=-50v 和 vgs=-20v 时,最大漏极电流密度超过 20ka⋅cm-2,这是目前(001)晶面垂直型金刚石 mosfet 的最高值。之后,该组又制备出了 u 型槽的垂直型 h 终端金刚石器件,获得了垂直型器件的最高击穿电压 580v[96]。然而,具有沟槽垂直型 fet 器件会集聚电场,大幅降低了器件的击穿电压,限制了 h 终端金刚石垂直型器件的发展。
3 总结与展望
本文介绍了h 终端金刚石转移掺杂物的发展,综述了当前 2dhg 的产生机理。为了进一步提高表面终端金刚石 fet 的载流子浓度、迁移率、击穿电压,获得性能优良的增强型 fet,需要从栅层材料选择、表面终端、结构和掺杂等技术手段着手优 化,总结了近年来不同优化方案下 h 终端 fet 器件的性能(见表 2)。本文总结了当前优化方案的主要出发点和问题。
栅层材料可以极大地影响2dhg 的导电特性。选择常规的氧化物绝缘体作为栅层,其载流子散射较为严重,且无法获得增强型特性;选择非常规栅层时,高击穿电压、优良的导电特性和增强型 fet 往往不可兼得。这可能是由于界面处的电荷转移较容易,往往其载流子散射严重或难以承受较高的电压,而界面处电荷转移困难,则会导致载流子浓度较低,阈值电压较高,fet 开关性能差。需要更加深入地了解 h 终端金刚石的 2dhg 导电机制,寻找栅层材料,以获得更好的界面状态。 从表面终端处理、结构和掺杂等方式可以特定解决部分问题。通过表面终端处理,有望优化 fet的击穿电压并获得增强型特性。
fet 结构的改变可以大幅优化其导电特性,而掺杂有望优化电极与金刚石的接触并获得增强型特性。 当前,h 终端金刚石 fet 已经有了长足的发展,各种优化技术相结合,可以进一步提升其导电特性和击穿电压,而金刚石本身具有优良的导热率,可以一定程度上缓解功耗散热的问题,这使得其在高温、高功率和高频的电子器件领域必有一席之地。h 终端金刚石与铁电材料等其他功能材料结合,在光学传感、非易失性存储等领域也有望得到应用。 然而,金刚石无法 n 型掺杂,极大地限制着金刚石 fet 器件击穿电压的提升,无法发挥金刚石本身的优良性能,无法制备常规的 mosfet、igbt 等器件,难以与 sic 等半导体材料竞争。此外,金刚石器件的大规模应用仍受限于大尺寸、高质量的金刚石晶圆制备,有待进一步解决。


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