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[據物理學組織網站2017年10月26日報道] 硅為電力電子工業帶來了巨大的利益。但是由于硅的物理限制，當前硅基電力電子器件性能已很難再獲得大的突破。相比之下，寬禁帶（WBG）半導體材料具有更高的能效，已成為開發下一代電力電子用場效應晶體管的主要候選材料。寬禁帶半導體場效應晶體管技術將為可再生能源電網配置、汽車和火車引擎等眾多電力電子應用的發展帶來極大的好處。
金剛石具有較高的禁帶寬度、最高的熱導率、極高的電子飽和遷移速率，被公認為最理想、最具發展潛力的寬禁帶半導體材料。金剛石的優越物理性能，能使器件以極小的損耗在更高的溫度、電壓和頻率下工作。然而，限制金剛石在金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）中應用的最大挑戰在于提高空穴溝道的載流子遷移率。空穴溝道載流子遷移率與電流的流動性相關，決定著MOSFET的開態電流大小。
近期，由法國、英國、日本研究人員組成的國際研究團隊開發出在硼摻雜金剛石MOSFET中引入深層耗盡區的新方法。這一全新概念的提出，使金剛石MOSFET的結構更為簡單，降低了制造難度。經驗證表明，新方法可將寬禁帶半導體的載流子遷移率提高一個數量級。該研究成果發表在近期的《應用物理快報》。
典型MOSFET是在硅基半導體材料上方先后沉積氧化層和金屬柵極，金剛石MOSFET需要將氧化層下方的半導體材料換成金剛石。通過在金屬柵極上施加電壓，可顯著改變柵極和氧化層下方金剛石溝道區域的載流子濃度及電導率。這種通過電的“場效應”控制溝道電導率和MOSFET開、關狀態（分別對應于電導通和電絕緣狀態）的能力，使金剛石MOSFET具備了在電力控制領域應用的潛力。目前已經過演示的金剛石MOSFET主要依靠氫-終止修飾的金剛石表面實現空穴向溝道的遷移（帶正電荷的載流子）。最近 ，人們開發出具有氧-終止修飾表面結構的金剛石MOSFET，與常見硅基MOSFET的運行模式類似。然而，這種晶體管的開態電流過于依賴于溝道遷移率，且MOSFET的設計使溝道遷移率對氧化金剛石表面粗糙度和缺陷濃度極其敏感，會在這些地方發生載流子的散射。
為解決這一問題，研究人員探索了一種完全不同的晶體管運行模式，即深層耗盡的概念。在構建MOSFET時，研究人員首先在380攝氏度溫度下在氧-終止金剛石外延層的上方沉積一層氧化鋁（Al2O3）；然后對金剛石層實施硼摻雜，形成穩定的耗盡區域，由于硼原子較碳原子少一個電子，因此會在金剛石層中產生空穴載流子。塊體金剛石外延層在功能上相當于一個厚的空穴載流子溝道，通過在柵極施加電壓，可對深層耗盡區域內的空穴載流子產生排斥和耗盡作用，從而控制晶體管的開啟和關閉。在硅基晶體管中施加電壓通常會導致反型層的產生，造成晶體管無法關閉。研究人員發現，正是金剛石獨特的物理特性，尤其是巨大的禁帶寬度，抑制了反型層的產生，使深層耗盡區域得以穩定正常地運行。
研究人員指出，該研究為更充分地開發金剛石在MOSFET領域的應用潛力鋪平了道路。下一步，研究人員將在新設立的 “鉆石晶圓廠”（DiamFab）中對深層-耗盡氧-終止金剛石MOSFET進行試生產。此外，研究人員還指出，此項研究工作的原理還有望應用于其它寬禁帶半導體材料。對金剛石進行硼摻雜可以產生穩定的深層耗盡區域，而對于其它寬禁帶半導體材料采用另外的雜質進行摻雜也許同樣會形成穩定的深層耗盡區。（工業和信息化部電子第一研究所 李鐵成）
