由寬帶隙半導體制成的場效應晶體管可以在高電壓、高溫度和高頻率下以低能量損耗工作，對于電力和高頻電子設備來說非常重要。然而，寬帶隙 p 溝道晶體管與 n 溝道晶體管相比性能較差，使得互補電路難以實現。氫端金剛石是此類器件的潛在 p 型材料，但表面轉移摻雜被認為是產生導電性限制性能所必需的，因為它需要電離的表面受體，從而導致空穴散射。

       利用一種新的制造技術，日本國立材料科學研究所（NIMS）開發(fā)了一種具有高空穴遷移率的金剛石場效應晶體管(FET)，這可以降低傳導損耗并提高運行速度。這種新的FET也表現出正常的關閉行為(即，當沒有柵極電壓時，通過晶體管的電流停止流動，這是一個使電子設備更安全的特性)。這些結果可能有助于低損耗功率轉換和高速通信設備的開發(fā)。

       金剛石具有優(yōu)異的寬禁帶半導體特性：其禁帶寬度大于已投入實際應用的碳化硅和氮化鎵。因此，金剛石可能被用于制造電力電子設備和通信設備，這些設備能夠在更高的速度、電壓和溫度下更高效地運行。之前已經進行了許多研發(fā)項目，目的是利用氫端鉆石（即鉆石表面的碳原子與氫原子共價結合）制造 FET。然而，這些工作未能充分利用金剛石優(yōu)異的寬帶隙半導體特性：這些金剛石集成晶體管的空穴遷移率（衡量空穴移動速度的指標）僅為集成前金剛石的 1-10%。

       這項工作展示了使用氫端金剛石通道和六方氮化硼柵極絕緣體可以在沒有表面轉移摻雜的情況下創(chuàng)建 p 通道寬帶隙異質結場效應晶體管。盡管降低了表面受體的密度，由于具有較高的室溫霍爾遷移率(680 cm2 V?1 s?1)，與其他p通道寬頻帶隙晶體管相比，該晶體管具有較低的薄片電阻(1.4 kΩ)和較大的ON電流(1600 μm mA mm?1)。晶體管也表現出正常的OFF行為，開/關比為108。

       通過使用六方氮化硼 (h-BN) 作為柵極絕緣體代替?zhèn)鹘y使用的氧化物（例如氧化鋁），并采用能夠防止表面氫終止的金剛石暴露在空氣中。在高空穴密度下，這種 FET 的空穴遷移率是具有氧化物柵極絕緣體的傳統 FET 的五倍。具有高空穴遷移率的 FET 可以以較低的電阻運行，從而降低傳導損耗，并可用于開發(fā)更高速度和更小的電子器件。該團隊還演示了 FET 的常關操作，這是電力電子應用的一個重要特征。新的制造技術能夠從氫端金剛石表面去除電子受體。這是該團隊成功開發(fā)高性能 FET 的關鍵，盡管這些受體通常被認為是在氫端金剛石中誘導導電性所必需的。

       這些結果是開發(fā)用于高性能電力電子和通信設備的高效金剛石晶體管的新里程碑。該團隊希望進一步提高金剛石場效應晶體管的物理性能，使其更適合實際使用。

圖1:帶hBN柵極絕緣體和石墨柵極的金剛石場效應晶體管

圖2：沒有暴露在空氣中的氫端金剛石上受體密度的降低

                          圖4：金剛石 FET 與溫度相關的電氣特性

圖5：金剛石FET的室溫性能與前期工作的對比

文獻信息：

Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, Yamaguchi Takahide. High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures. Nature Electronics, 2021; 5 (1): 37 DOI: 10.1038/s41928-021-00689-4