高空穴迁移率金刚石基晶体管 | 应用物理前沿推介系列No.15

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本期推介

一种无表面转移掺杂的高空穴迁移率常关型金刚石基晶体管

为了满足人类社会日益增长的能源需求，人们一直致力于开发性能更好的高频大功率半导体功率电子器件。以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料，因为其具有较高的临界击穿场强、较高的电子迁移率以及良好的热导率，使得利用宽禁带半导体制作的n型沟道功率器件可以在高压下维持较高的工作频率，较低的能量耗散，并可耐受极端高低温和辐照等复杂工作环境。目前已经实现应用的半导体功率器件主要有两类：第一类是基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管（high-electron-mobility transistors，HEMTs），HEMT中的电子迁移率最高可达2000 cm²/V·s，其相对应的p沟道场效应晶体管（field-effect transistors，FETs）的空穴迁移率一般低于30 cm²/V·s；第二类器件是SiC基MOSFETs（metal-oxide-semiconductor FETs），其器件结构与Si基MOSFETs类似，然而目前报道的SiC基MOSFETs电子和空穴迁移率均低于Si基半导体材料（SiC电子迁移率为30 - 200 cm²/V·s，而空穴迁移率则低于17 cm²/V·s）。另一方面，新兴超宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃），更是几乎难以在其晶体中形成有效的p型掺杂。因此，高性能p型沟道器件已然成为宽禁带半导体功率器件的短板，从本质上限制了宽禁带半导体n沟道与p沟道器件集成制作互补型逻辑电路（CMOS），严重制约了宽禁带半导体向更高温度，更高频率和效率，以及更小体积的应用延伸。

在性能需求的牵引下，金刚石（Diamond）逐渐进入了研究人员的视野。金刚石具有极高的临界击穿电场（超过10 MV/cm）、超高的热导率（超过20 W/cm·K），特别是其具有超高的本征空穴载流子迁移率（超过3500 cm²/V·s），已经超过了Si、GaAs、GaN和SiC等大多数半导体材料，成为未来高集成度功率和射频器件的优秀候选之一[1,2]。然而，目前金刚石面临的最大困难就是将其从绝缘体转换成半导体。在20世纪的80年代和90年代，人们曾试图通过传统的掺杂工艺，将杂质元素掺杂进金刚石的体晶格中，从而实现类似于硅（Si）的导电机制。然而该尝试并不成功，这主要是因为几乎所能使用的施主和受主掺杂元素在金刚石内都具有较高的活化能，很难在室温下提供可观的载流子浓度，造成很难制备具备良好的导电性金刚石基电子器件[3]。21世纪初，人们在金刚石上探索出了一种有效的表面导电机制 -- 氢终端技术[4]。该技术利用了半导体之间的电子交换以及利用具有高电子亲和势的表面受主掺杂（例如水分子）等原理[5]，通过在金刚石表面进行氢等离子体处理，可以产生浓度约10¹³ cm^-2，迁移率数十cm²/V·s的二维空穴气。通过这一机制制作的晶体管被称为氢终端金刚石场效应晶体管（H-Terminated Diamond FETs）。

使用氢终端技术制作的晶体管其空穴迁移率与金刚石本征空穴迁移率相比差距近两个数量级，这主要是由于此前的表面转移掺杂技术在空穴沟道附近引入了受主电荷，对空穴载流子产生了较为严重的散射，进而导致空穴迁移率降低。此外，由于氢终端技术中表面受主分子的可挥发性，也使得器件电学性能存在温度波动性以及表面导电性的损失[6]。上述两点是制约其进一步发展的关键挑战。针对氢终端金刚石电子器件的热稳定性问题，自2013年以来，人们通过引入各种过渡金属氧化物进行金刚石表面钝化，显著改善了器件的高温性能（可保证450 ℃ 高温下器件稳定工作）[7-9]。同时也将金刚石表面载流子浓度提高至创纪录的2×10¹⁴ cm^-2水平。然而氢终端金刚石基晶体管的空穴迁移率依然在10 ~ 100 cm²/V·s范围内，导致p型沟道器件的应用依然受限[10]。

图 1 具有更高空穴迁移率的氢终端石墨/h-BN/金刚石异质结[12,13]（a）原子示意图；（b）性能基准图（左：空穴迁移率、右：载流子浓度）。

针对这一挑战，日本国立材料研究所的研究团队在提升金刚石空穴迁移率方面的取得了较好的进展[11]。该工作是通过使用单晶的六方氮化硼（h-BN）二维材料作为中间层，并利用石墨作为电极，制成的氢终端异质结金刚石场效应晶体管表面空穴迁移率高达680 cm²/V·s，对应的载流子浓度为5×10¹² cm^-2，如图1所示。

该工作引入了额外的石墨层作为栅极电极，由于没有空气参与会进一步减少栅介质与栅电极间的界面无序态，可以显著的减少沟道表面带电杂质的浓度，抑制表面电离杂质散射这一先前制约空穴迁移率提升的关键因素。所制作的晶体管基本结构和性能如图2所示，在栅压V_GS= −10 V时，空穴迁移率可达到 680 cm²/V·s，且器件具有良好的常关特性（normally-off）。

图2 石墨/h-BN/金刚石异质结氢终端晶体管[13]：（a）器件结构示意图；（b）异质结STEM图像；栅极电压V_GS在（c）0 V、（d）8 V电压下的栅极下方能带示意图；栅极电压V_GS与（e）迁移率、（f）霍尔载流子浓度的关系。

图3显示了氢终端金刚石器件空穴迁移率和温度的关系，其中的“ic”、"sr"、"ac "、"op "分别表示迁移率受界面电荷、表面粗糙度、声学声子和非极性光学声子等散射机制的影响。"tot"为表示在考虑到所有上述散射机制的情况下计算得到的总迁移率。总体来看，室温下界面受主态散射机制是限制迁移率的主导因素，而随着温度的上升，声子散射机制的贡献逐渐增加，受主态散射的贡献相对减小。高温下迁移率受声子散射影响大于受主态散射，迁移率逐渐下降。

图3 在栅极电压V_GS为 - 8 V下测量的随温度变化的霍尔迁移率 。

氢终端金刚石基器件空穴迁移率的突破促进了其在更低损耗的高频开关器件、高频功率放大器及其他功率射频器件的应用。同时意味着金刚石基器件已经具有目前所有包含宽禁带及超宽禁带在内的半导体材料中可用的最高空穴载流子迁移率。考虑到金刚石其他优异的内在材料特性，包括极高的临界击穿场强与超高的热导率，使得金刚石基电子器件未来具有宽广的应用前景。尤其是金刚石的极化导电机制不依赖杂质元素掺杂，不需要考虑高温本征载流子激发及低温载流子冻结的问题，其与GaN异质结体系中极化产生的二维电子气（2DEG）配合，有望制造出可耐极端温度的特种CMOS集成电路，在量子计算、深空探测等国家重大需求中具有重要的应用潜力。

推介人

黄森  中科院微电子所，博导，国际IEEE高级会员，获国家自然基金委优秀青年基金和中科院青促会优秀会员资助，长期致力于III族氮化物电子器件和物理研究。

参考资料

1. Tordjman, M. Nat Electron 5, 21–22 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00707-5

2. Geis, M. W. et al. Phys. Status Solidi A 215, 1800681 (2018).

3. Kalish, R. J. Phys. D 40, 6467–6478 (2007).

4. Maier, F., Riedel, M., Mantel, B., Ristein, J. & Ley, L. Phys. Rev. Lett. 85, 3472–3475 (2000).

5. Ristein, J. Nature 430, 439–441 (2004).

6. Chen, W., Qi, D., Gao, X. & Wee, A. T. S. Prog. Surf. Sci. 84, 279–321 (2009).

7. Tordjman, M., Saguy, C., Bolker, A. & Kalish, R. Adv. Mater. Interf. 1, 1300155 (2014).

8. Crawford, K. G. et al. Sci. Rep. 8, 3342 (2018).

9. Tordjman, M., Weinfeld, K. & Kalish, R. Appl. Phys. Lett. 111, 111601 (2017).

10. Yin, Z. et al. Sci. Adv. 4, eaau0480 (2018).

11. Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi & Yamaguchi Takahide, Nat. Electron.  5, 37 (2021).

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前沿推介专栏

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

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