金剛石基MOSFETs的最新進(jìn)展

供稿|原曉蘆 / YUAN Xiao-lu

隨著集成電路工藝步入22 nm工藝節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)所產(chǎn)生的短溝道效應(yīng)及低的擊穿電壓使其不再滿足高頻高功率電子器件領(lǐng)域的需求。近年來(lái)，金剛石基MOSFETs的相關(guān)研究引起了人們的極大關(guān)注。金剛石具有能帶間隙寬、導(dǎo)熱系數(shù)高和載流子遷移率高等優(yōu)良電學(xué)特性，在高溫高壓高頻高功率電子器件應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。然而，金剛石基電子器件從材料制備到器件應(yīng)用這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)還存在諸多挑戰(zhàn)，比如大尺寸金剛石晶圓的制備、高質(zhì)量金剛石外延材料的生長(zhǎng)及金剛石摻雜技術(shù)的完善等。此外，金剛石材料高額的制造成本也是阻礙金剛石電子器件發(fā)展的一大因素?；谖磽诫s金剛石外延層MOSFETs的電學(xué)性能研究一直在進(jìn)行，許多關(guān)于金剛石p型摻雜的研究也取得了一定的進(jìn)展，但對(duì)n型摻雜的研究則相對(duì)較少。這是因?yàn)榱讚诫s離子在室溫下的不完全離化行為導(dǎo)致了n型金剛石材料的電阻值偏高，導(dǎo)電性能較差。因此，也阻礙了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件的發(fā)展。

為了推動(dòng)金剛石材料電子器件的發(fā)展，加快國(guó)內(nèi)外金剛石基MOSFETs的研究進(jìn)程，近日，北京科技大學(xué)李成明教授領(lǐng)導(dǎo)的“碳基材料與功能薄膜梯隊(duì)”與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所金鵬教授團(tuán)隊(duì)、日本國(guó)立材料研究所劉江偉主任研究員共同合作在Int. J.Miner. Metall. Mater.上發(fā)表了題為“Recent progress in diamond-based MOSFETs”的綜述性文章。該文章從金剛石材料特有的基本物理性質(zhì)出發(fā)，闡述了金剛石材料在電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，主要介紹了近三年來(lái)國(guó)內(nèi)外金剛石基MOSFETs的研究進(jìn)展，同時(shí)提出了目前該領(lǐng)域面臨的一些挑戰(zhàn)，最后對(duì)未來(lái)金剛石基MOSFETs的發(fā)展做出了展望。

該文章首先針對(duì)金剛石材料物理性質(zhì)應(yīng)用于電子器件的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。金剛石材料的高溫特性使其相關(guān)的電子器件能夠承受更高的工作溫度。依據(jù)金剛石材料表面特有的負(fù)電子親和勢(shì)特性，產(chǎn)生了氫終端非摻雜金剛石基MOSFETs這種新型器件。隨后詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外針對(duì)氫終端和氧終端金剛石基MOSFETs性能提高的一些最新工作進(jìn)展和目前該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來(lái)金剛石基功率器件的發(fā)展方向。迄今為止，針對(duì)金剛石基MOSFETs器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，但提高器件性能的關(guān)鍵仍是高質(zhì)量金剛石外延材料的制備，比如采用高質(zhì)量無(wú)缺陷的外延金剛石材料制備器件可以極大地提高載流子的溝道遷移率，同時(shí)降低柵極界面態(tài)密度從而降低載流子的捕獲密度。其次，降低界面態(tài)密度需要協(xié)調(diào)好器件制備工藝過(guò)程中的先后順序，盡可能避免因制備工藝帶來(lái)的界面質(zhì)量的下降。此外，相比于器件制備工藝及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)而言，與金剛石基電子器件相關(guān)的物理機(jī)制應(yīng)該受到更多的關(guān)注。

碳基材料與功能薄膜梯隊(duì)簡(jiǎn)介

北京科技大學(xué)“碳基材料與功能薄膜梯隊(duì)”成立于1990年，隸屬于新材料技術(shù)研究院功能材料研究所。目前共有教師6名，博士生10名，碩士生14名。梯隊(duì)主要從事多晶與單晶金剛石的制備及新型碳材料、功能性薄膜材料等的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)發(fā)金剛石基射頻功率器件的單位之一，其獲得的FET的截止頻率與最大振蕩頻率均是國(guó)內(nèi)最高值。研究方向包括：(1)大面積高質(zhì)量金剛石的制備；(2)寬帶隙半導(dǎo)體金剛石器件的制備與應(yīng)用研究；(3)航天器新型熱管理材料與工藝設(shè)計(jì)研究等。

梯隊(duì)自成立以來(lái)一直立足于金剛石材料及其相關(guān)材料的研究，先后承擔(dān)國(guó)家863重大專項(xiàng)、自然科學(xué)基金、總裝基礎(chǔ)預(yù)研、國(guó)防科技配套等眾多國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目60余項(xiàng)，獲得包括北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)在內(nèi)的多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，同時(shí)擁有數(shù)十項(xiàng)專利。在金剛石半導(dǎo)體研究與應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先，與國(guó)內(nèi)外相關(guān)知名研究機(jī)構(gòu)如英國(guó)萊斯特大學(xué)、美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室等多家單位建立了長(zhǎng)期的合作關(guān)系。以“服務(wù)國(guó)家重大需求、瞄準(zhǔn)國(guó)際科技前沿、聚焦行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題”為自身定位，研究室的師生們一方面積極推進(jìn)前沿科學(xué)研究，另一方面堅(jiān)持致力于突破金剛石領(lǐng)域的關(guān)鍵工程技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)有效的成果轉(zhuǎn)化。近日，該梯隊(duì)所研制的金剛石微槽道擴(kuò)熱板已多次成功應(yīng)用于北斗系列衛(wèi)星，使中國(guó)航天器散熱方面獲得新的突破。

推薦閱讀

Xiao-lu Yuan, Yu-ting Zheng, Xiao-hua Zhu, et al. Recent progress in diamond-based MOSFETs.Int J Miner Metall Mater, 2019, 26(10): 1195

https://doi.org/10.1007/s12613-019-1843-4

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