特约综述 | 金刚石基MOSFETs的最新进展
随着集成电路工艺步入22 nm工艺节点，传统的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)所产生的短沟道效应及低的击穿电压使其不再满足高频高功率电子器件领域的需求。近年来，金刚石基MOSFETs的相关研究引起了人们的极大关注。金刚石具有能带间隙宽、导热系数高、载流子迁移率高等优良电学特性，在高温高压高频高功率电子器件应用领域前景广阔。然而，金刚石基电子器件从材料制备到器件应用这一过程的实现还存在诸多挑战，比如大尺寸金刚石晶圆的制备、高质量金刚石外延材料的生长及金刚石掺杂技术的完善等。此外，金刚石材料高额的制造成本也是阻碍金刚石电子器件发展的一大因素。基于未掺杂金刚石外延层MOSFETs的电学性能研究一直在进行，许多关于金刚石p型掺杂的研究也取得了一定的进展，但对n型掺杂的研究则相对较少。这是因为磷掺杂离子在室温下的不完全离化行为导致了n型金刚石材料的电阻值偏高，导电性能较差。因此，也阻碍了结型场效应晶体管和互补金属氧化物半导体器件的发展。
为了推动金刚石材料电子器件的发展，加快国内外金刚石基MOSFETs的研究进程，近日，北京科技大学李成明教授领导的“碳基材料与功能薄膜梯队”与中国科学院半导体研究所金鹏教授团队、日本国立材料研究所刘江伟主任研究员共同合作在Int. J. Miner. Metall. Mater.上发表了题为“Recent progress in diamond-based MOSFETs”的综述性文章。该文章从金刚石材料特有的基本物理性质出发，阐述了金刚石材料在电子器件领域应用的优势，主要介绍了近三年来国内外金刚石基MOSFETs的研究进展，同时提出了目前该领域面临的一些挑战，最后对未来金刚石基MOSFETs的发展做出了展望。
该文章首先针对金刚石材料物理性质应用于电子器件的优势进行了分析。金刚石材料的高温特性使其相关的电子器件能够承受更高的工作温度。依据金刚石材料表面特有的负电子亲和势特性，产生了氢终端非掺杂金刚石基MOSFET这种新型器件。随后详细介绍了国内外针对氢终端和氧终端金刚石基MOSFET性能提高的一些最新工作进展和目前该领域面临的主要挑战以及未来金刚石基功率器件的发展方向。迄今为止，针对金刚石基MOSFET器件结构的创新不断涌现，但提高器件性能的关键仍是高质量金刚石外延材料的制备，比如采用高质量无缺陷的外延金刚石材料制备器件可以极大地提高载流子的沟道迁移率，同时降低栅极界面态密度从而降低载流子的捕获密度。其次，降低界面态密度需要协调好器件制备工艺过程中的先后顺序，尽可能避免因制备工艺带来的界面质量的下降。此外，相比于器件制备工艺及结构的改进而言，与金刚石基电子器件相关的物理机制应该受到更多的关注。
北京科技大学“碳基材料与功能薄膜梯队”成立于1990年，隶属于新材料技术研究院功能材料研究所。目前共有教师6名，博士生10名，硕士生14名。梯队主要从事多晶与单晶金刚石的制备及新型碳材料、功能性薄膜材料等的基础研究与应用开发工作，是国内最早开发金刚石基射频功率器件的单位之一，其获得的FET的截止频率与最大振荡频率均是国内最高值。研究方向包括：(1) 大面积高质量金刚石的制备；(2) 宽带隙半导体金刚石器件的制备与应用研究；(3) 航天器新型热管理材料与工艺设计研究等。
梯队自成立以来一直立足于金刚石材料及其相关材料的研究，先后承担国家863重大专项、自然科学基金、总装基础预研、国防科技配套等众多国家级科研项目60余项，获得包括北京市科技进步奖在内的多项奖励，同时拥有数十项专利。在金刚石半导体研究与应用领域技术领先，与国内外相关知名研究机构如英国莱斯特大学、美国阿贡实验室等多家单位建立了长期的合作关系。以“服务国家重大需求、瞄准国际科技前沿、聚焦行业热点问题”为自身定位，研究室的师生们一方面积极推进前沿科学研究，另一方面坚持致力于突破金刚石领域的关键工程技术问题，实现有效的成果转化。近日，该梯队所研制的金刚石微槽道扩热板已多次成功应用于北斗系列卫星，使中国航天器散热方面获得新的突破。
Xiao-lu Yuan, Yu-ting Zheng, Xiao-hua Zhu, Jin-long Liu, Jiang-wei Liu, Cheng-ming Li, Peng Jin, and Zhan-guo Wang, Recent progress in diamond-based MOSFETs, Int. J. Miner. Metall. Mater., 2019, 26(10): 1195-1205.
https://doi.org/10.1007/s12613-019-1843-4
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