Kisel har gett enorma fördelar för kraftelektronikindustrin. Men prestandan hos kiselbaserad kraftelektronik närmar sig maximal kapacitet.

Ange WBG-halvledare (wide bandgap). Ses som betydligt mer energieffektiv, de har dykt upp som ledande utmanare när det gäller att utveckla fälteffekttransistorer (FET) för nästa generations kraftelektronik. Sådan FET-teknik skulle gynna allt från elnätsdistribution av förnybara energikällor till bil- och tågmotorer.

Diamant är till stor del erkänt som det mest idealiska materialet i WBG-utveckling, på grund av dess överlägsna fysikaliska egenskaper, som gör att enheter kan arbeta vid mycket högre temperaturer, spänningar och frekvenser, med minskade halvledarförluster.

En huvudutmaning, dock, för att realisera diamantens fulla potential i en viktig typ av FET – nämligen, metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer (MOSFETs) – är förmågan att öka hålkanalens bärares rörlighet. Denna rörlighet, relaterat till hur lätt strömmen flyter, är väsentligt för MOSFET:s på-tillståndsström.

Forskare från Frankrike, Förenade kungariket och Japan införlivar ett nytt tillvägagångssätt för att lösa detta problem genom att använda regimen för djuputarmning av bulk-bordopade diamant-MOSFET. Det nya proof of concept möjliggör produktion av enkla diamant-MOSFET-strukturer från enkelbordopade epilagerstackar. Denna nya metod, specifikt för WBG-halvledare, ökar rörligheten med en storleksordning. Resultaten publiceras denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik .

I en typisk MOSFET-struktur, ett oxidskikt och sedan en metallport bildas ovanpå en halvledare, som i detta fall är diamant. Genom att applicera en spänning på metallgrinden, bärardensiteten, och därav konduktiviteten, av diamantområdet precis under porten, kanalen, kan förändras dramatiskt. Möjligheten att använda denna elektriska "fälteffekt" för att styra kanalens konduktivitet och växla MOSFET från ledande (på-läge) till mycket isolerande (off-state) driver deras användning i effektstyrningsapplikationer. Många av de diamant-MOSFET som hittills har demonstrerats förlitar sig på en väteterminerad diamantyta för att överföra positivt laddade bärare, känd som hål, in i kanalen. På senare tid, drift av syreterminerade diamant-MOS-strukturer i en inversionsregim, liknande det vanliga arbetssättet för kisel MOSFET, har visats. På-tillståndsströmmen för en MOSFET är starkt beroende av kanalmobiliteten och i många av dessa MOSFET-konstruktioner, rörligheten är känslig för grovhet och defekta tillstånd vid oxiddiamantgränsytan där oönskad bärarspridning inträffar.

För att lösa detta problem, forskarna utforskade ett annat arbetssätt, begreppet deep-depletion. För att bygga sin MOSFET, forskarna deponerade ett skikt av aluminiumoxid (Al2O3) vid 380 grader Celsius över ett syreavslutat tjockt diamantepitaxialskikt. De skapade hål i diamantskiktet genom att införliva boratomer i skiktet. Bor har en valenselektron mindre än kol, så att inkludera den lämnar en saknad elektron som fungerar som en tillägg av en positiv laddning, eller hål. Det stora epilagret fungerade som en tjock ledande hålkanal. Transistorn växlades från tillståndet till frånslaget genom applicering av en spänning som stötte bort och tömde hålen - det djupa utarmningsområdet. I kiselbaserade transistorer, denna spänning skulle också ha resulterat i bildandet av ett inversionsskikt och transistorn skulle inte ha stängts av. Författarna kunde visa att diamantens unika egenskaper, och särskilt det stora bandgapet, undertryckt bildning av inversionsskiktet, vilket tillåter drift i den djupa utarmningsregimen.

"Vi tillverkade en transistor där på-tillståndet säkerställs av bulkkanalens ledning genom det bordopade diamant-epilaget, sa Julien Pernot, en forskare vid NEEL Institute i Frankrike och en författare till artikeln. "Den off-state säkerställs av det tjocka isolerande skiktet som induceras av den djupa utarmningsregimen. Vårt proof of concept banar väg för att fullt ut utnyttja potentialen hos diamant för MOSFET-applikationer." Forskarna planerar att producera dessa strukturer genom sin nya startup kallad DiamFab.

Pernot observerade att liknande principer för detta arbete kan gälla andra WBG-halvledare. "Bor är dopningslösningen för diamant, " Pernot sa, "men andra dopningsföroreningar skulle sannolikt vara lämpliga för att göra det möjligt för andra halvledare med breda bandgap att nå en stabil djuputarmningsregim."