[据物理学组织网站2017年10月26日报道] 硅为电力电子工业带来了巨大的利益。但是由于硅的物理限制，当前硅基电力电子器件性能已很难再获得大的突破。相比之下，宽禁带（WBG）半导体材料具有更高的能效，已成为开发下一代电力电子用场效应晶体管的主要候选材料。宽禁带半导体场效应晶体管技术将为可再生能源电网配置、汽车和火车引擎等众多电力电子应用的发展带来极大的好处。

金刚石具有较高的禁带宽度、最高的热导率、极高的电子饱和迁移速率，被公认为最理想、最具发展潜力的宽禁带半导体材料。金刚石的优越物理性能，能使器件以极小的损耗在更高的温度、电压和频率下工作。然而，限制金刚石在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中应用的最大挑战在于提高空穴沟道的载流子迁移率。空穴沟道载流子迁移率与电流的流动性相关，决定着MOSFET的开态电流大小。

近期，由法国、英国、日本研究人员组成的国际研究团队开发出在硼掺杂金刚石MOSFET中引入深层耗尽区的新方法。这一全新概念的提出，使金刚石MOSFET的结构更为简单，降低了制造难度。经验证表明，新方法可将宽禁带半导体的载流子迁移率提高一个数量级。该研究成果发表在近期的《应用物理快报》。

典型MOSFET是在硅基半导体材料上方先后沉积氧化层和金属栅极，金刚石MOSFET需要将氧化层下方的半导体材料换成金刚石。通过在金属栅极上施加电压，可显著改变栅极和氧化层下方金刚石沟道区域的载流子浓度及电导率。这种通过电的“场效应”控制沟道电导率和MOSFET开、关状态（分别对应于电导通和电绝缘状态）的能力，使金刚石MOSFET具备了在电力控制领域应用的潜力。目前已经过演示的金刚石MOSFET主要依靠氢-终止修饰的金刚石表面实现空穴向沟道的迁移（带正电荷的载流子）。最近 ，人们开发出具有氧-终止修饰表面结构的金刚石MOSFET，与常见硅基MOSFET的运行模式类似。然而，这种晶体管的开态电流过于依赖于沟道迁移率，且MOSFET的设计使沟道迁移率对氧化金刚石表面粗糙度和缺陷浓度极其敏感，会在这些地方发生载流子的散射。

为解决这一问题，研究人员探索了一种完全不同的晶体管运行模式，即深层耗尽的概念。在构建MOSFET时，研究人员首先在380摄氏度温度下在氧-终止金刚石外延层的上方沉积一层氧化铝（Al2O3）；然后对金刚石层实施硼掺杂，形成稳定的耗尽区域，由于硼原子较碳原子少一个电子，因此会在金刚石层中产生空穴载流子。块体金刚石外延层在功能上相当于一个厚的空穴载流子沟道，通过在栅极施加电压，可对深层耗尽区域内的空穴载流子产生排斥和耗尽作用，从而控制晶体管的开启和关闭。在硅基晶体管中施加电压通常会导致反型层的产生，造成晶体管无法关闭。研究人员发现，正是金刚石独特的物理特性，尤其是巨大的禁带宽度，抑制了反型层的产生，使深层耗尽区域得以稳定正常地运行。

研究人员指出，该研究为更充分地开发金刚石在MOSFET领域的应用潜力铺平了道路。下一步，研究人员将在新设立的 “钻石晶圆厂”（DiamFab）中对深层-耗尽氧-终止金刚石MOSFET进行试生产。此外，研究人员还指出，此项研究工作的原理还有望应用于其它宽禁带半导体材料。对金刚石进行硼掺杂可以产生稳定的深层耗尽区域，而对于其它宽禁带半导体材料采用另外的杂质进行掺杂也许同样会形成稳定的深层耗尽区。（工业和信息化部电子第一研究所 李铁成）