金刚石基晶体管取得重要突破

近日，格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院教授戴维·莫兰 (David Moran) 带领研究团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学和美国普林斯顿大学合作完成研究，其研究成果《极端增强模式操作积累通道氢终端金刚石场效应晶体管 (Vth<−6V 和高导通电流)》（Extreme Enhancement-Mode Operation Accumulation Channel Hydrogen-Terminated Diamond FETs with Vth <−6V and High on-Current）发表在《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials）杂志上。  

该成果利用金刚石作为晶体管的基础，这种晶体管默认情况下处于关闭状态，这一进展对于确保开启时承载大量电流的设备的安全至关重要，可能有助于创造用于高功率电子产品的的新一代金刚石晶体管。

上图：a）累积通道 H-金刚石 FET 结构概念和相关的代表性能带图，与 b）‘典型’转移掺杂 H-金刚石 FET 形成对比。

金刚石本身具有较宽的带隙，这使得它在电击穿之前能够处理比硅高得多的电压，这使得它在电网或电动汽车等高功率电子应用方面特别有吸引力。

莫兰说：“电力电子面临的挑战在于，开关的设计需要能够在不使用时保持牢固关闭状态，以确保其符合安全标准，但在打开时也必须提供非常高的功率。

“以前最先进的金刚石晶体管通常擅长其中一种功能，而牺牲了另一种功能——开关擅长保持关闭状态，但不太擅长按需提供电流，反之亦然。我们能够做的是设计出一种在两种功能上都表现优异的金刚石晶体管，这是一个重大的进展。”

在格拉斯哥大学詹姆斯瓦特纳米制造中心，研究小组利用表面化学技术来改善金刚石的性能，先用氢原子涂覆金刚石，然后再涂覆氧化铝层。

他们的金刚石晶体管需要六伏电压才能打开，是以前的金刚石晶体管的两倍多，同时在激活时仍能提供大电流。

他们还改进了电荷在器件中的移动效率，性能比传统的金刚石晶体管提高了一倍。从实际角度来说，这意味着电荷可以更自由地在器件中移动，从而提高器件的效率。

当关闭时，该设备的电阻足够高，以至于测量结果低于实验室中团队设备的本底噪声，这意味着当设备关闭时几乎没有电流泄漏，这是大功率应用的关键安全功能。

莫兰补充道：“这些结果确实令人鼓舞，使钻石晶体管比以往任何时候都更接近发挥其潜力。钻石是一种许多人与奢侈品联系在一起的材料，其生产成本出奇地低，但在钻石晶体管准备好被制造业大规模推广之前，仍有一些挑战需要解决。我们希望我们的研究将有助于推动未来几年钻石晶体管在各个行业中的应用。”

原文链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202400770