研究进展|具有最先进的高射频功率密度的(0 0 1)金刚石上的氢端金刚石MOSFET

金刚石场效应晶体管(FET)在高频、大功率电子器件中具有巨大的应用潜力。对于高频大功率电子器件，基本要求低缺陷密度的晶圆级半导体材料。(0 0 1)取向金刚石是最有希望顺利获得CVD工艺将晶体尺寸扩展到晶圆尺度的金刚石。在(0 0 1)金刚石上开展高性能金刚石FET 是金刚石的关键需求。

近期，河北半导体研究所（中国电子科技集团公司第十三研究所）冯志红团队在(0 0 1)金刚石上制备了具有同质外延层的金刚石FET 。顺利获得拉曼光谱和光致发光光谱测定，同质外延层中的氮杂质含量大大降低。以 100nm Al2O3作为栅极电介质的金刚石场效应晶体管显示出35 Ω·mm 的欧姆接触电阻。最大漏极饱和电流密度为 500 mA/mm，最大跨导为 20.1 mS/mm。由于Al2O3栅介质和金刚石衬底的高质量，金刚石场效应晶体管的漏极工作电压可达−58 V。在2 GHz频率下取得了4.2 W/mm的陆续在波输出功率密度。4 GHz和10 GHz的输出功率密度也有所提高，分别达到3.1和1.7 W/mm。这项工作显示了金刚石在高频、大功率电子器件上的应用潜力。相关研究以“Hydrogen-terminated diamond MOSFETs on (0 0 1) single crystal diamond with state of the art high RF power density”为题发表在 Functional Diamond 上。

下面是一些图片解读研究进展： 

图1. (a)截面示意图和 (b) h -金刚石MOSFET的SEM图像

图2. (a)单晶金刚石衬底的拉曼光谱和(b)同质外延后的PL光谱

图3. H-金刚石 MOSFET 的直流特性。(a) 电流-电压特性，和 (b) H-金刚石 MOSFET 的传输特性

图 4. (a) 在 1 MHz 下测量具有 100 nm 厚 ALD Al2O3 电介质的 H-金刚石二极管的 C-V 特性和(b) 用VGS测量空穴密度

图5.  H-金刚石 MOSFET 的射频特性

图6. H-金刚石 MOSFET 的输出功率特性统计。(a) 工作漏极电压在 1 和 2 GHz 下的输出功率特性统计。(b) 输出功率特性随频率的统计

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