Dyb nedbrydning:Et nyt koncept for MOSFET'er

Silicium har givet enorme fordele til kraftelektronikindustrien. Men ydeevnen for siliciumbaseret kraftelektronik nærmer sig maksimal kapacitet.

Indtast brede båndgap (WBG) halvledere. Set som betydeligt mere energieffektivt, de er fremstået som førende konkurrenter inden for udvikling af felt-effekt-transistorer (FET'er) til næste generations strømelektronik. Sådan FET-teknologi vil gavne alt fra el-netdistribution af vedvarende energikilder til bil- og togmotorer.

Diamant er stort set anerkendt som det mest ideelle materiale i WBG -udvikling, på grund af dets overlegne fysiske egenskaber, som gør det muligt for enheder at fungere ved meget højere temperaturer, spændinger og frekvenser, med reducerede halvledertab.

En hovedudfordring, imidlertid, ved at realisere det fulde potentiale for diamant i en vigtig type FET - nemlig, metaloxid-halvlederfelt-effekt-transistorer (MOSFET'er)-er evnen til at øge hulkanalbærerens mobilitet. Denne mobilitet, relateret til den lethed, hvormed strøm strømmer, er afgørende for on-state-strømmen af ​​MOSFET'er.

Forskere fra Frankrig, Det Forenede Kongerige og Japan indarbejder en ny tilgang til at løse dette problem ved hjælp af systemet med stor nedbrydning af masse-bor-dopede diamant MOSFET'er. Det nye proof of concept muliggør fremstilling af simple diamant MOSFET-strukturer ud fra enkelt bor-dopede epilagstakke. Denne nye metode, specifik for WBG -halvledere, øger mobiliteten med en størrelsesorden. Resultaterne offentliggøres i denne uge i Anvendt fysik bogstaver .

I en typisk MOSFET -struktur, et oxidlag og derefter en metalport dannes oven på en halvleder, som i dette tilfælde er diamant. Ved at lægge en spænding på metalporten, bærertætheden, og derfor ledningsevnen, af diamantregionen lige under porten, kanalen, kan ændres dramatisk. Evnen til at bruge denne elektriske "felt-effekt" til at styre kanalens ledningsevne og skifte MOSFETS fra ledende (on-state) til stærkt isolerende (off-state) driver deres anvendelse i strømstyringsapplikationer. Mange af de diamant-MOSFET'er, der hidtil er demonstreret, er afhængige af en brint-afsluttet diamantoverflade for at overføre positivt ladede bærere, kendt som huller, ind i kanalen. For nylig, drift af ilt -afsluttede diamant -MOS -strukturer i et inversionsregime, ligner den almindelige funktionsmåde for silicium MOSFETS, er blevet demonstreret. On-state-strømmen af ​​en MOSFET er stærkt afhængig af kanalens mobilitet og i mange af disse MOSFET-designs, mobiliteten er følsom over for ruhed og defekttilstande ved oxiddiamantgrænsefladen, hvor der opstår uønsket bærerspredning.

For at løse dette problem, forskerne undersøgte en anden driftsmåde, konceptet med dyb nedbrydning. For at bygge deres MOSFET, forskerne aflejrede et lag aluminiumoxid (Al2O3) ved 380 grader Celsius over et iltafsluttet tykt diamant epitaksialt lag. De skabte huller i diamantlaget ved at inkorporere boratomer i laget. Bor har en mindre valenselektron end kulstof, så inklusive det efterlader en manglende elektron, der fungerer som tilføjelse af en positiv ladning, eller hul. Masse -epilaget fungerede som en tyk ledende hulkanal. Transistoren blev skiftet fra on-state til off-state ved at anvende en spænding, der frastødte og udarmede hullerne-den dybe udtømningsregion. I siliciumbaserede transistorer, denne spænding ville også have resulteret i dannelse af et inversionslag, og transistoren ville ikke have slukket. Forfatterne var i stand til at demonstrere, at de unikke egenskaber ved diamant, og især det store båndgab, undertrykt dannelse af inversionslaget, der tillader operation i det dybe udtømningsregime.

"Vi fremstillede en transistor, hvor on-state sikres ved bulkkanalledningen gennem det bor-dopede diamant-epilag, "sagde Julien Pernot, en forsker ved NEEL Institute i Frankrig og forfatter til papiret. "Off-state sikres af det tykke isolerende lag, der fremkaldes af systemet med dyb nedbrydning. Vores konceptbevis baner vejen for fuldt ud at udnytte diamantens potentiale til MOSFET-applikationer." Forskerne planlægger at producere disse strukturer gennem deres nye opstart kaldet DiamFab.

Pernot bemærkede, at lignende principper for dette arbejde kunne gælde for andre WBG -halvledere. "Bor er dopingopløsningen for diamant, "Sagde Pernot, "men andre urenheder med doping ville sandsynligvis være egnede til at gøre det muligt for andre brede båndgabshalvledere at nå et stabilt system til dyb nedbrydning."