寬帶隙半導體晶體管具有低功耗、高工作電壓和高遷移率等優點，在高頻和高功率電子產品中發揮著舉足輕重的作用，如射頻（RF）功率放大器和電源轉換器。為了驅動和控制這些電子設備，以及滿足電源開關應用和故障安全系統的要求，單片集成外圍邏輯電路受到熱切追求。
然而，基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的p溝道FET的低孔遷移率和空穴密度導致性能低于n溝道FET高性能和高可靠性的p溝道FET在常閉（增強模式）操作方面的缺陷阻礙了互補邏輯電路的發展和電力電子器件的大規模應用。
近日，哈工大朱嘉琦教授團隊在最新研究成果中，實現了為高能效互補電路提供了性能卓越的p溝道FET，相關研究成果以“Ultrahigh On/Off Ratio(110)Diamond Transistors with Exceptional Reproducibility of Normally Off Characteristics”為題，發表于The Journal of Physical Chemistry Letters期刊，這項研究成果為加速寬帶隙半導體電力電子學的發展奠定了基礎。
來源：論文
? ?金剛石——完美的候選材料
金剛石融合在下一代電力電子器件領域中是一個有吸引力的候選材料，由于結合了卓越的物理和電氣性能，如超寬帶隙、高熱導率、高載流子遷移率、高擊穿場和高載流子飽和速度。此外，通過與帶負電荷的受體轉移摻雜，在氫端(H-)金剛石表面上將形成二維空穴氣體（2DHG），克服了硼和磷等常用摻雜劑的高電離能瓶頸。（110）取向氫端金剛石的2DHG密度可以達到~1013cm-2，并且比另一個晶體取向高得多，因為C-H偶極密度更高。這為高性能正常關閉P溝道FET的實施提供了令人興奮的機會。
? ?研究內容及圖文分析
然而，由于工藝控制難度大（離子注入、氧等離子體處理）、材料均勻性（氫端接金剛石表面、具有正固定電荷的柵極電介質）和增益邊界，因此需要解決這個問題以實現大規模邏輯電路。另一個關鍵問題是通常關閉的H-金剛石FET的性能較差。其中一個原因是，使用具有正固定電荷和低功函數的柵極電介質將導致較大的柵極漏電流，從而降低柵極效率。此外，C?H鍵和帶負電荷的受體的在空氣中不穩定會導致 H-金剛石在制造過程中對高溫、氧化環境和等離子體造成的表面損傷的敏感性，從而導致性能下降和令人不滿意的器件產量。金剛石FET中較差的孔遷移率（<100cm 2V-1s-1），歸因于H-金剛石表面上吸附的負電荷受體的庫侖散射，也嚴重限制了電流處理能力和FET性能。
來源：論文
上圖所示a為正常關閉金剛石FET的制造過程和器件幾何結構。為了獲得大的導通電流密座，采用（110）取向的化學氣相沉積（CVD）合成單品金剛石，測量首次采用3x3x0.3mm3來制造正常關閉的金剛石FET。金剛石的X射線行射(XRD)光譜在75.3°處顯示出一個峰值，證實了（110）取向。首先，將基板浸入熱混合酸（H2SO4：HNO3=3:1）中，以消除污染物和非金剛石相。超聲波清洗后，在微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）系統中，在600°C下將襯底暴露于氫等離子體10分鐘，以形成氫端金剛石表面。處理參數為400sccm氫氣流量，1.8 kW微波功率和60Torr腔室壓力。在氫終止的金剛石與空氣接觸后，表面形成了2DHG，孔密度為3.90x1013cm2，通過霍爾效應測量確定其遷移率為45cm?2V-1s-1。孔密度大約比報道的（100）取向金剛石的平均值高一個數量級。
通過原子力顯微鏡 （AFM） 對氫等離子體處理前后的表面形貌進行了表征，顯示了幾乎沒有增加均方根 （Rq） 粗糙度，其增加了0.16nm，這對于最大限度地減少表面粗糙度散射至關重要。隨后，50nm金層通過熱蒸發沉積到襯底上，以形成歐姆接觸和作為保護層的器件平面隔離。活性區域和源極/漏極通過兩個在 KI/I2 溶液中連續進行標準光刻和濕法蝕刻。然后，在450 °C下對金剛石襯底進行退火30分鐘后，通過電子束（EB）蒸發將 55nm厚的SiO2（粗糙度為 Rq ）原位沉積為柵極電介質（圖 c）。這種原子平滑和均勻的地形有利于實現高質量的界面。最后，通過執行標準光刻、熱蒸發和剝離工藝形成 Al（80nm）的柵極。圖 d 顯示了制造 FET 的光學顯微鏡圖像，具有5μm 柵極長度（LG）、30μm柵極寬度（WG?)、4μm柵極間隙（LSG）和6μm柵極漏極間隙（LGD），如通道區域的掃描電子顯微鏡 （SEM） 圖像中標記的那樣。帶有Au柵極的金剛石FET的制造過程與上述相同，只是柵極金屬是 Au。在室溫下使用半導體特性分析儀（Keithley 4200-SCS）和帶有探針臺的 Keithley 6517B 靜電計評估器件的電氣和擊穿特性。
???結果
在這項工作中，展示了高性能氫端金剛石FET的實現，具有特殊的常開特性的可重現性。考慮柵極能帶，得到了柵極和2DHG溝道之間穩定且足夠高的功函數差，導致溝道完全耗盡和超低關態電流~fA·μm?1)。這些器件采用(110)型晶體管、高孔洞密度和高質量氧化物層，具有出色的整體性能，創紀錄的高開/關比率超過1010、高電流密度(~200μA·μm ?1），以及高的擊穿電壓(~676V)。此外，為了減少載流子散射，引入帶負電荷的受體熱解吸，使通道遷移率提高到124.4（cm2?V-1s-1）。值得注意的是，高性能和低待機功耗是協同實現的，賦予了金剛石場效應管在電力電子領域的巨大潛力。
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