A sinistra:immagine al microscopio ottico dei MOSCAP e dei MOSFET a esaurimento profondo del diamante (D2MOSFET) di questo lavoro. In alto a destra:immagine al microscopio elettronico a scansione di un diamante D2MOSFET sotto indagine elettrica. S:Fonte, G:Cancello, D:Scolare. In basso a destra:concetto D2MOSFET. L'on-state del transistor è assicurato grazie al regime di accumulo o banda piatta. Il canale ad alta mobilità è l'epistrato di diamante drogato con boro. Il fuori-stato è raggiunto grazie al regime di profondo esaurimento, che è stabile solo per semiconduttori ad ampio bandgap. Per una tensione di gate maggiore di una data soglia, il canale è chiuso a causa dello strato profondo e completamente impoverito sotto il cancello. Attestazione:Institut NÉEL
Il silicio ha fornito enormi vantaggi all'industria dell'elettronica di potenza. Ma le prestazioni dell'elettronica di potenza a base di silicio si stanno avvicinando alla capacità massima.
Inserisci i semiconduttori a banda larga (WBG). Visto come significativamente più efficiente dal punto di vista energetico, sono emersi come principali contendenti nello sviluppo di transistor ad effetto di campo (FET) per l'elettronica di potenza di prossima generazione. Tale tecnologia FET trarrebbe vantaggio da tutto, dalla distribuzione sulla rete elettrica di fonti di energia rinnovabile ai motori di automobili e treni.
Il diamante è ampiamente riconosciuto come il materiale più ideale nello sviluppo del WBG, grazie alle sue proprietà fisiche superiori, che consentono ai dispositivi di funzionare a temperature molto più elevate, tensioni e frequenze, con perdite dei semiconduttori ridotte.
Una sfida principale, però, nel realizzare il pieno potenziale del diamante in un importante tipo di FET, vale a dire, transistor ad effetto di campo (MOSFET) a semiconduttore a ossido di metallo:è la capacità di aumentare la mobilità del portante del canale del foro. Questa mobilità, legati alla facilità con cui scorre la corrente, è essenziale per la corrente on-state dei MOSFET.
Ricercatori dalla Francia, il Regno Unito e il Giappone incorporano un nuovo approccio per risolvere questo problema utilizzando il regime di esaurimento profondo dei MOSFET di diamante drogati con boro bulk. La nuova prova di concetto consente la produzione di semplici strutture MOSFET di diamante da singole pile di epistrati drogati con boro. Questo nuovo metodo, specifico per i semiconduttori WBG, aumenta la mobilità di un ordine di grandezza. I risultati sono pubblicati questa settimana in Lettere di fisica applicata .
In una tipica struttura MOSFET, uno strato di ossido e quindi un gate metallico sono formati sopra un semiconduttore, che in questo caso è diamante. Applicando una tensione al gate metallico, la densità del portatore, e quindi la conducibilità, della regione dei diamanti proprio sotto il cancello, il canale, può essere cambiato radicalmente. La capacità di utilizzare questo "effetto di campo" elettrico per controllare la conduttività del canale e commutare i MOSFET da conduttore (stato acceso) a altamente isolante (stato spento) ne determina l'uso nelle applicazioni di controllo dell'alimentazione. Molti dei MOSFET di diamante dimostrati fino ad oggi si basano su una superficie di diamante terminata con idrogeno per trasferire vettori carichi positivamente, conosciuti come buchi, nel canale. Più recentemente, funzionamento di strutture MOS di diamante terminate con ossigeno in regime di inversione, simile alla modalità di funzionamento comune dei MOSFET al silicio, è stato dimostrato. La corrente di stato di un MOSFET dipende fortemente dalla mobilità del canale e in molti di questi progetti MOSFET, la mobilità è sensibile alla rugosità e agli stati di difetto all'interfaccia ossido-diamante dove si verifica una dispersione indesiderata del vettore.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno esplorato una diversa modalità di funzionamento, il concetto di esaurimento profondo. Per costruire il loro MOSFET, i ricercatori hanno depositato uno strato di ossido di alluminio (Al2O3) a 380 gradi Celsius su uno strato epitassiale di diamante spesso terminato con ossigeno. Hanno creato buchi nello strato di diamante incorporando atomi di boro nello strato. Il boro ha un elettrone di valenza in meno del carbonio, quindi includendolo lascia un elettrone mancante che agisce come l'aggiunta di una carica positiva, o buco. L'epistrato di massa ha funzionato come un canale di foro conduttore spesso. Il transistor è stato commutato dallo stato acceso allo stato spento mediante l'applicazione di una tensione che ha respinto e svuotato i fori, la regione di esaurimento profondo. Nei transistor a base di silicio, questa tensione avrebbe anche determinato la formazione di uno strato di inversione e il transistor non si sarebbe spento. Gli autori sono stati in grado di dimostrare che le proprietà uniche del diamante, e in particolare il grande gap di banda, formazione soppressa dello strato di inversione che consente il funzionamento in regime di esaurimento profondo.
"Abbiamo fabbricato un transistor in cui lo stato di attivazione è assicurato dalla conduzione del canale di massa attraverso l'epistrato di diamante drogato con boro, " disse Julien Pernot, ricercatore presso l'Istituto NEEL in Francia e autore dell'articolo. "Lo stato off è assicurato dallo spesso strato isolante indotto dal regime di esaurimento profondo. La nostra prova di concetto apre la strada allo sfruttamento completo del potenziale del diamante per le applicazioni MOSFET". I ricercatori hanno in programma di produrre queste strutture attraverso la loro nuova startup chiamata DiamFab.
Pernot ha osservato che principi simili di questo lavoro potrebbero essere applicati ad altri semiconduttori WBG. "Il boro è la soluzione antidoping per il diamante, "Pernot ha detto, "ma altre impurità droganti sarebbero probabilmente adatte per consentire ad altri semiconduttori a banda proibita ampia di raggiungere un regime stabile di esaurimento profondo".
