早稻田大学研发的MOSFET将拓展金刚石MOSFET的高压和高温应用

前言

钻石的电学性质可以通过表面改性来显著改变。由于其高孔密度、低活化能(小于50 meV)，高载流子迁移率(100 cm2VS- 1)， H端基金刚石(C–H金刚石)已导致重大突破；在金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的发展中，已经实现了高电流输出、宽温度操作和高击穿电压。报道，碳-氢偶极子的自发极化与空穴积累有关。由于电负性与碳-氢类似，碳-硅偶极子有望显示出p型导电性。虽然已经报道了氧化碳-硅金刚石的向上能带弯曲，但还没有认为它是电子器件应用的合适终端。二维空穴气体的电学测量和通过场效应对二维空穴气体的控制还没有被检验。作为沟道的碳硅金刚石应该被认为与用于金属氧化物半导体场效应晶体管的碳氢金刚石具有不同的器件物理特性，因为这种终端直接将金刚石与二氧化硅连接起来，二氧化硅是金属氧化物半导体功率器件中最可靠的绝缘体。

研究内容

早稻田大学的科学家演示了氧化的碳硅金刚石及其与二氧化硅绝缘体的金属氧化物半导体场效应晶体管的工作，这还没有在金刚石中得到彻底的研究。这里，碳硅金刚石被定义为被单层或多层薄碳硅键覆盖的金刚石。具有未掺杂和重掺硼源极/漏极层的金属氧化物半导体场效应晶体管都表现出正常的关断模式工作。这是非常可取的，因为它提供了避免开关故障的优势，并已在金刚石场效应晶体管中实现，但漏极电流密度不够高。在碳硅金刚石场效应晶体管中，漏极电流通过控制栅极电压(VGS)得到有效调制。对于未掺杂的器件(“器件A”)，最大漏电流为-17毫安/毫米，阈值电压为-19V；对于功率因数校正场效应晶体管(“器件B”)，最大电流密度-165毫安/毫米，阈值电压为-6 V，显示正常关闭模式。

实验方法

采用微波等离子体化学气相沉积法，在高压高温(HPHT)合成的(001)型单晶金刚石上生长(001)取向金刚石。然后，通过紫外辐照使金刚石表面氧封端，然后利用正硅酸乙酯化学气相沉积、光刻和电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)沉积和构图该膜，以产生用于同质外延金刚石选择性生长的掩模。在选择性生长之后，通过图案化的光致抗蚀剂和连续的剥离，通过电子束蒸发在选择性生长图案内部以5毫米的距离，局部形成钛/铂/金(分别为20纳米/30纳米/100纳米)。

二氧化硅栅绝缘体氧化硅场效应晶体管的器件加工顺序

未掺杂非晶硅氧化碳硅场效应晶体管的横截面结构示意图。

选择性生长金刚石和二氧化硅的拐角。二氧化硅被氢氟酸溶液选择性地腐蚀掉了。

结论

科学家们制备了未掺杂和重掺硼的源漏（S/D）层的C-Si金刚石mosfet，SiO2mask选择性生长未掺杂的S/D可以获得MOSFET，但性能不如横向C-H金刚石fet。这是因为垂直的C–Si金刚石表面不能被栅极电压有效地调制。种掺杂的S/D降低了接触电阻率，因此Ids比未掺杂的S/D提高了10倍，与先进的C–H金刚石fet相当。在掩蔽区形成C–Si金刚石后，SIO2不仅可以作为选择性外延生长的掩模，而且可以作为高性能MOSFET的栅极绝缘体。这扩展了金刚石mosfet的高压和高温应用，简化了器件的制作过程。

文章来源

https://doi.org/10.1063/1.5143982。