哈工大朱嘉琦教授团队：为实现高能效互补电路提供了性能卓越的p沟道场效应晶体管

原创 DT半导体材料 2024-09-09 20:06

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宽带隙半导体晶体管具有低功耗、高工作电压和高迁移率等优点，在高频和高功率电子产品中发挥着举足轻重的作用，如射频（RF）功率放大器和电源转换器。为了驱动和控制这些电子设备，以及满足电源开关应用和故障安全系统的要求，单片集成外围逻辑电路受到热切追求。

然而，基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的p沟道FET的低孔迁移率和空穴密度导致性能低于n沟道FET高性能和高可靠性的p沟道FET在常闭（增强模式）操作方面的缺陷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，哈工大朱嘉琦教授团队在最新研究成果中，实现了为高能效互补电路提供了性能卓越的p沟道FET，相关研究成果以“Ultrahigh On/Off Ratio(110)Diamond Transistors with Exceptional Reproducibility of Normally Off Characteristics”为题，发表于The Journal of Physical Chemistry Letters期刊，这项研究成果为加速宽带隙半导体电力电子学的发展奠定了基础。

来源：论文

金刚石——完美的候选材料

金刚石融合在下一代电力电子器件领域中是一个有吸引力的候选材料，由于结合了卓越的物理和电气性能，如超宽带隙、高热导率、高载流子迁移率、高击穿场和高载流子饱和速度。此外，通过与带负电荷的受体转移掺杂，在氢端(H-)金刚石表面上将形成二维空穴气体（2DHG），克服了硼和磷等常用掺杂剂的高电离能瓶颈。（110）取向氢端金刚石的2DHG密度可以达到~10¹³cm^-2，并且比另一个晶体取向高得多，因为C-H偶极密度更高。这为高性能正常关闭P沟道FET的实施提供了令人兴奋的机会。

研究内容及图文分析

然而，由于工艺控制难度大（离子注入、氧等离子体处理）、材料均匀性（氢端接金刚石表面、具有正固定电荷的栅极电介质）和增益边界，因此需要解决这个问题以实现大规模逻辑电路。另一个关键问题是通常关闭的H-金刚石FET的性能较差。其中一个原因是，使用具有正固定电荷和低功函数的栅极电介质将导致较大的栅极漏电流，从而降低栅极效率。此外，C−H键和带负电荷的受体的在空气中不稳定会导致 H-金刚石在制造过程中对高温、氧化环境和等离子体造成的表面损伤的敏感性，从而导致性能下降和令人不满意的器件产量。金刚石FET中较差的孔迁移率（<100cm²V^-1s^-1），归因于H-金刚石表面上吸附的负电荷受体的库仑散射，也严重限制了电流处理能力和FET性能。

来源：论文

上图所示a为正常关闭金刚石FET的制造过程和器件几何结构。为了获得大的导通电流密座，采用（110）取向的化学气相沉积（CVD）合成单品金刚石，测量首次采用3x3x0.3mm³来制造正常关闭的金刚石FET。金刚石的X射线行射(XRD)光谱在75.3°处显示出一个峰值，证实了（110）取向。首先，将基板浸入热混合酸（H2SO4：HNO3=3:1）中，以消除污染物和非金刚石相。超声波清洗后，在微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统中，在600°C下将衬底暴露于氢等离子体10分钟，以形成氢端金刚石表面。处理参数为400sccm氢气流量，1.8 kW微波功率和60Torr腔室压力。在氢终止的金刚石与空气接触后，表面形成了2DHG，孔密度为3.90x10¹³cm²，通过霍尔效应测量确定其迁移率为45cm²V^-1s^-1。孔密度大约比报道的（100）取向金刚石的平均值高一个数量级。

通过原子力显微镜（AFM）对氢等离子体处理前后的表面形貌进行了表征，显示了几乎没有增加均方根（Rq）粗糙度，其增加了0.16nm，这对于最大限度地减少表面粗糙度散射至关重要。随后，50nm金层通过热蒸发沉积到衬底上，以形成欧姆接触和作为保护层的器件平面隔离。活性区域和源极/漏极通过两个在 KI/I2 溶液中连续进行标准光刻和湿法蚀刻。然后，在450 °C下对金刚石衬底进行退火30分钟后，通过电子束（EB）蒸发将 55nm厚的SiO2（粗糙度为 Rq ）原位沉积为栅极电介质（图 c）。这种原子平滑和均匀的地形有利于实现高质量的界面。最后，通过执行标准光刻、热蒸发和剥离工艺形成 Al（80nm）的栅极。图 d 显示了制造 FET 的光学显微镜图像，具有5μm 栅极长度（LG）、30μm栅极宽度（WG )、4μm栅极间隙（LSG）和6μm栅极漏极间隙（LGD），如通道区域的扫描电子显微镜（SEM）图像中标记的那样。带有Au栅极的金刚石FET的制造过程与上述相同，只是栅极金属是 Au。在室温下使用半导体特性分析仪（Keithley 4200-SCS）和带有探针台的 Keithley 6517B 静电计评估器件的电气和击穿特性。

结果

在这项工作中，展示了高性能氢端金刚石FET的实现，具有特殊的常开特性的可重现性。考虑栅极能带，得到了栅极和2DHG沟道之间稳定且足够高的功函数差，导致沟道完全耗尽和超低关态电流~fA·μm⁻¹)。这些器件采用(110)型晶体管、高孔洞密度和高质量氧化物层，具有出色的整体性能，创纪录的高开/关比率超过10¹⁰、高电流密度(~200μA·μm⁻¹），以及高的击穿电压(~676V)。此外，为了减少载流子散射，引入带负电荷的受体热解吸，使通道迁移率提高到124.4（cm²V^-1s^-1）。值得注意的是，高性能和低待机功耗是协同实现的，赋予了金刚石场效应管在电力电子领域的巨大潜力。