Silicium heeft enorme voordelen opgeleverd voor de vermogenselektronica-industrie. Maar de prestaties van op silicium gebaseerde vermogenselektronica naderen de maximale capaciteit.

Voer brede bandgap (WBG) halfgeleiders in. Gezien als aanzienlijk energiezuiniger, ze zijn naar voren gekomen als toonaangevende kanshebbers in de ontwikkeling van veldeffecttransistors (FET's) voor vermogenselektronica van de volgende generatie. Een dergelijke FET-technologie zou alles ten goede komen, van elektriciteitsdistributie van hernieuwbare energiebronnen tot auto- en treinmotoren.

Diamant wordt grotendeels erkend als het meest ideale materiaal in WBG-ontwikkeling, vanwege zijn superieure fysieke eigenschappen, waardoor apparaten bij veel hogere temperaturen kunnen werken, spanningen en frequenties, met verminderde halfgeleiderverliezen.

Een grote uitdaging, echter, bij het realiseren van het volledige potentieel van diamant in een belangrijk type FET, namelijk, metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET's) - is het vermogen om de mobiliteit van de gatenkanaaldrager te vergroten. Deze mobiliteit, gerelateerd aan het gemak waarmee stroom vloeit, is essentieel voor de on-state stroom van MOSFET's.

Onderzoekers uit Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Japan nemen een nieuwe aanpak om dit probleem op te lossen door gebruik te maken van het regime van diepe uitputting van in bulk met boor gedoteerde diamanten MOSFET's. De nieuwe proof of concept maakt de productie mogelijk van eenvoudige diamanten MOSFET-structuren uit enkele met borium gedoteerde epilaagstapels. Deze nieuwe methode, specifiek voor WBG-halfgeleiders, verhoogt de mobiliteit met een orde van grootte. De resultaten worden deze week gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

In een typische MOSFET-structuur, een oxidelaag en vervolgens een metalen poort worden gevormd bovenop een halfgeleider, wat in dit geval diamant is. Door een spanning op de metalen poort aan te leggen, de dragerdichtheid, en dus de geleidbaarheid, van de diamantregio net onder de poort, het kanaal, drastisch kan veranderen. De mogelijkheid om dit elektrische "veldeffect" te gebruiken om de kanaalgeleiding te regelen en MOSFETS van geleidend (aan-staat) naar sterk isolerend (uit-staat) te schakelen, stimuleert hun gebruik in vermogensregelingstoepassingen. Veel van de diamanten MOSFET's die tot nu toe zijn aangetoond, vertrouwen op een diamantoppervlak met waterstofeindgroepen om positief geladen dragers over te brengen, bekend als gaten, het kanaal in. Recenter, werking van met zuurstof beëindigde diamant-MOS-structuren in een inversieregime, vergelijkbaar met de gemeenschappelijke werkingsmodus van silicium MOSFETS, is aangetoond. De on-state stroom van een MOSFET is sterk afhankelijk van de kanaalmobiliteit en in veel van deze MOSFET-ontwerpen, de mobiliteit is gevoelig voor ruwheid en defecttoestanden op het grensvlak van oxidediamanten waar ongewenste dragerverstrooiing optreedt.

Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers verkenden een andere manier van werken, het concept van diepe uitputting. Om hun MOSFET te bouwen, de onderzoekers deponeerden een laag aluminiumoxide (Al2O3) bij 380 graden Celsius over een met zuurstof eindigende dikke epitaxiale diamantlaag. Ze creëerden gaten in de diamantlaag door booratomen in de laag op te nemen. Borium heeft één valentie-elektron minder dan koolstof, dus inclusief het laat een ontbrekend elektron achter dat werkt als de toevoeging van een positieve lading, of gat. De bulk epilaag functioneerde als een dik geleidend gatkanaal. De transistor werd van de aan-stand naar de uit-stand geschakeld door het aanleggen van een spanning die de gaten afstootte en uitputte - het diepe uitputtingsgebied. In op silicium gebaseerde transistoren, deze spanning zou ook hebben geleid tot de vorming van een inversielaag en de transistor zou niet zijn uitgeschakeld. De auteurs konden aantonen dat de unieke eigenschappen van diamant, en in het bijzonder de grote bandgap, onderdrukte vorming van de inversielaag waardoor operatie in het diepe uitputtingsregime mogelijk is.

"We hebben een transistor gefabriceerd waarin de aan-toestand wordt verzekerd door de bulkkanaalgeleiding door de met borium gedoteerde diamanten epilaag, " zei Julien Pernot, een onderzoeker aan het NEEL Institute in Frankrijk en een auteur van het artikel. "De off-state wordt verzekerd door de dikke isolerende laag die wordt veroorzaakt door het regime van diepe uitputting. Ons proof-of-concept maakt de weg vrij om het potentieel van diamant voor MOSFET-toepassingen volledig te benutten." De onderzoekers zijn van plan om deze structuren te produceren via hun nieuwe startup DiamFab.

Pernot merkte op dat soortgelijke principes van dit werk van toepassing kunnen zijn op andere WBG-halfgeleiders. "Boor is de dopingoplossing voor diamant, ’ zei Pernot, "maar andere doteringsverontreinigingen zouden waarschijnlijk geschikt zijn om andere halfgeleiders met een brede bandgap in staat te stellen een stabiel regime van diepe uitputting te bereiken."