表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：367380Materials Research and ApplicationEmail：http：/表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展李志伸,罗鑫*（中山大学物理学院，广东 广州 510275）摘要：金刚石因具有极高热导率、5.5 eV宽带隙、极高击穿电场、高固有载流子迁移率和低介电常数等优异性能，在高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件领域中成为有力的竞争者。然而，研究人员对金刚石半导体掺杂技术进行了几十年的探索和优化，却仍然无法满足当前电子器件的应用需求。最近，随着 H 终端金刚石表面二维空穴气的发现，研究重心逐渐转向优化 H 终端金刚石的导电特性及制备场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)。综述了 H 终端金刚石研究的发展历程，从栅层材料选择、表面终端处理、金刚石掺杂和 FET 结构优化出发，归纳了提升表面终端金刚石 FET 器件性能的方法，并对表面终端金刚石FET的发展前景进行了总结和展望。关键词：金刚石；表面终端；场效应晶体管；器件优化中图分类号：O469文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0367-14引文格式：李志伸，罗鑫.表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展 J.材料研究与应用，2023，17（3）：367-380.LI Zhishen，LUO Xin.Research Progress of Surface Terminal Diamond Field Effect TransistorsJ.Materials Research and Application，2023，17（3）：367-380.金刚石不仅具有包括最高的硬度、极高的热导率、达 5.5 eV 的宽带隙、极高的击穿电场和高固有载流子迁移率等多种卓越性质1-2，同时还具有耐化学腐蚀、耐高温、抗辐照能力强和表面稳定性高等优点，因此它在大功率器件、精密加工、热管理、量子传感、污水处理、生物传感等领域得到了广泛应用3-5。Si、第三代宽禁带半导体 SiC、GaN 和金刚石材料1-2的基本参数和 Baliga 高频评价指数6列于表 1。由表 1 可知：金刚石在下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件中具有极为显著的优势，故其被业界誉为“终极半导体”。几十年来，研究人员一直试图在各种电子设备应用中实现金刚石的理想性能。与大多数半导体材料一样，金刚石材料必须进行杂质掺杂，以获得稳定的高载流子浓度，但对金刚石进行 n 型掺杂的研究收稿日期：2023-04-16基金项目：广 东 省 基 础 与 应 用 基 础 研 究 基 金 会-杰 出 青 年 项 目（2021B1515020021）；国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目（12172386）；广东省磁电物性分析与器件重点实验室项目（2022B1212010008）作者简介：李志伸，博士研究生，研究方向为金刚石场效应晶体管制备及其性能研究，E-mail：。通信作者：罗鑫，博士，教授，研究方向为新型功能材料与宽禁带半导体材料与器件，E-mail：。表 1一些半导体与金刚石材料的本征性能Table 1Intrinsic properties of some semiconductors and diamond半导体材料SiSiCGaN金刚石禁带宽度/eV1.13.23.455.5饱和漂移速度/(107 cms-1)电子1.11.92.52.5空穴0.81.2-1.4载流子迁移率/(cm2V-1s-1)电子1 5001 0001 5004 500空穴4501202003 800击穿场强/(MVcm-1)0.32.5512介电常数11.99.668.95.7导热率/(WmK-1)1504901302 200Baliga评价指数15823712 000DOI：10.20038/ki.mra.2023.000301封面论文材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期结果一直不太理想7。掺 S 的金刚石晶格畸变较多，降低了 S 的电活性8，且低温时会呈现 p 型导电9；而 N和 Li掺杂后均为深杂质能级，通常为绝缘体10-11；P 掺杂会在金刚石中形成导带底下 0.58 eV的杂质能级12，且掺杂后的载流子迁移率很低。目前，虽然有一些研究表明7，13-15，复杂掺杂物可以实现金刚石的 n型掺杂，但都难以重复和应用。在 p 型掺杂方面，使用 B 作为掺杂元素是最常见的方法。然而，B 掺杂金刚石后的电离能约为0.36 eV，这意味着即使在室温下仍然难以电离，导致载流子浓度较低16。而高浓度 B掺杂会导致空间电荷效应，从而降低载流子迁移率17，影响导电性能，并降低金刚石的晶体质量。因此，尽管 B掺杂金刚石的工艺相对成熟，且已在污水处理、传感器等行业中得到了广泛应用18，但其在电子器件领域中的应用仍然受到限制。近年研究发现，将 H 终端金刚石表面与气体分子、氧化物、电荷等接触，进行转移掺杂后，可以形成良 好 导 电 特 性 的 二 维 空 穴 气（Two Dimensional Hole Gas，2DHG），这提供了 1 种金刚石半导体应用的新途径，同时避免了传统掺杂带来的严格限制6。H 终端金刚石非常适合平面器件的制备，效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是其应用最广的领域。本文首先综述了近年来 H 终端金刚石 FET 器件的研究和发展情况，包括 H 终端金刚石的发现历程及二维空穴气的产生机理。然后，从栅层材料的选择、表面终端处理、金刚石掺杂和 FET 结构优化等方面入手，总结了目前研究中对 H 终端金刚石的优化方向和进展。最后，展望了表面终端金刚石FET器件未来的发展前景。1H终端 FET的历史发展1.1气体分子虽然金刚石半导体的 B掺杂研究较为成熟，但 B的激活能较高，常温下难以电离，限制了其在电子器件领域的发展 16。最近的研究发现，H终端金刚石（见图1）具有p型导电，这引起了研究人员的广泛关注。1989年，Landstrass等19研究发现，未使用任何杂质掺杂技术制备的 H 终端金刚石表面电导率为110-6-1cm-1。Gi 等20-21通过实验证明了电子转移依赖于 H 终端金刚石的环境气氛，并有实验表明 H 终端金刚石表面存在负电子亲和势22，其导电表面下存在空穴积累层23。Maier等24进一步证实了由于表面存在的空气分子能够作为电子受体，H终端和环境空气暴露能够增强金刚石表面的电导率。经过长时间的理论发展和实验探索，金刚石氢终端表面的转移掺杂导电机理得到了广泛认可。当H 终端与水蒸气接触时会形成水合氢润湿层，润湿（a）H终端金刚石示意图；（b）气体分子掺杂的导电特性。（a）the schematic of H-terminated diamond；（b）the conductive properties of diamond doped with gas molecules.图 1H终端金刚石的气体分子转移掺杂6Figure 1Gas molecule transfer doping of H-terminated diamond368李志伸等：表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展层会吸附一些低非占据电子能态的气体（氧气、甲酸、二氧化碳等），价带电子向低非占据能态吸附层的跃迁，使亚表面层积累足够多的空穴，最终形成导电的二维空穴气（2DHG），从而实现金刚石表面导电6，25。选用不同的气体分子作为掺杂物会明显影响 H终端金刚石的电导率，H 终端金刚石的导电特性波动十分巨大，其迁移率和典型载流子浓度的变化范围分别为 20100 cm2V-1s-1和 1101211013 cm-2 26-27。这可能是由于存在太多难以控制的变量，如金刚石表面形态、H 终端密度、表面污染、自然发生的大气吸附物、衬底组成和金刚石晶体质量等。空 气 掺 杂 H 终 端 金 刚 石 的 电 学 特 性 差 异 大，但2DHG的载流子密度很少超过 11013 cm-2。相比于空气吸附转移掺杂，直接选用特定气体分子作为转移掺杂物可显著提高 H 终端金刚石的导电特性（见图 1）。富勒烯分子 C60及其氟化变体具有较高的电子亲和势，是首批 H 终端金刚石上的电子受体分子之一。C60作为转移掺杂物时，H 终端金刚石的空穴载流子浓度与空气暴露产生的相当28-29。此外，Riedel等30研究发现，在臭氧环境下进行退火可增强 H 终端金刚石表面导电性，这是因为臭氧可能产生部分 O 终端，导致局部键合，消除或降低了电子交换的势垒，提高了表面导电性30。虽然选用特定的气体分子可以提高 H 终端金刚石的电导率，但分子吸附层本身稳定性和均一性很低的问题依旧没有解决，难以应用于电子器件。1.2金属氧化物为了综合提高 H 终端金刚石材料作为电子器件的稳定性和导电性，人们将研究重心逐渐转向许多固体包封材料，其中金属氧化物最为普遍。高电子亲和势（Electron Affinity，EA）和功函数的过渡金属氧化物（Transition Metal Oxides，TMOs）已被证明是有效的 H终端金刚石表面掺杂物。当转移掺杂物的电子亲和势较高时，表面电子受体导带位于 H 终端金刚石价带下方，费米能级对齐会导致能带向上弯曲从而在金刚石表面形成2DHG，这 一 发 现 引 起 了 众 多 学 者 的 广 泛 关 注。2013 年，Russell 等31研究发现，三氧化钼（MoO3）可以诱导转移 H 终端金刚石表面电子，使 2DHG 载流子浓度提升了一个数量级，且在金刚石/MoO3界面中发现了清晰的电荷分离。之 后，五 氧 化 钒（V2O5）32-33，三 氧 化 钨（WO3）32，34，三 氧 化 铼（ReO3）23，34，五 氧 化 铌（Nb2O5）32和三氧化铬（CrO3）35等相继被用作掺杂物。其中 MoO3、V2O5和 WO3的载流子密度超过11014 cm-2 32，34，V2O5和 MoO3可在 300 下实现高温稳定性26，36，而 ReO3可达 400 34。相比于气体分子，TMOs 是 1 种更有吸引力的电子转移掺杂物，它们可在更大的温度范围内具有更强的稳定性，并且在由具有可控性能的固体材料驱动下，可产生稳定可靠的高载流子浓度。图 2为与金刚石带隙有关的 TMOs材料导带的比较6。后续实验发现，在不引入其他气体分子或表面终端时，具有较低 EA 的 Al2O3依然能够作为 H 终端金刚石的转移掺杂物，产生 2DHG37。这一现象引起了学者们的讨论，可能的解释有两种：其一为ALD 技术制备 Al2O3层会产生间隙氧和 Al空位38；其 二 为 Al2O3与 H 终 端 金 刚 石 存 在 相 互 作 用 键合39。这两种解释都能与实验较好符合，同时表明了电荷掺杂和键合也可以在 H 终端金刚石表面产图 2金属氧化物与金刚石的电子亲和势6Figure 2Electron affinity of metal oxides with diamond369材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期生 2DHG。这些金属氧化物大多就是 FET 器件中较为常用的栅层材料，制备工艺较为成熟，且稳定性良好，这一发现极大地促进了 H 终端金刚石在电子器件领域的发展。1.3金属电极接触尽管 H 终端金刚石半导体材料已经具有良好的导电性、环境稳定性和热稳定性，但使其应用于电子器件领域，还需要研究其与金属等电极材料的接触特性。1994 年，Aoki 等40研究了 CVD 制备的 H 终端金刚石表面与各种金属的接触特性，结果表明，界面肖特基势垒高度（schottky barrier height，SBH）与 H终端金刚石表面沉积金属的功函数有很强的相关 性。这是由于 H 终端金刚石表面可降低费米钉扎，使得其表面状态受到金属功函数的影响，高功函数金属在 H 终端金刚石上表现出线性欧姆响应，而低功函数金属被用于产生与大肖特基势垒的接触41-42。在 MOSFET 器件中，源漏级的金属电极需要与 H 终端金刚石具有较好的欧姆接触。具有较高功函数的 Au、Ag、Cu、Ir、Pt 和 Pd 被证明可以在 H终端金刚石表面产生欧姆接触（见图 3（a），是备选的 H 终端金刚石 FET 的金属电极43-48。这些金属中，由于 Au 用于电子器件领域的沉积工艺较为成熟，它成为了 H 终端金刚石上最常用的欧姆接触电极47-49。此外，一些研究表明部分碳化物同样可以与 H终端金刚石实现欧姆接触50-51。Jingu 等50首先将Ti制备在 O 终端金刚石上，然后用氢等离子体金刚石进行处理以获得 H 终端，最后测得 TiC 与金刚石的最终接触电阻约为 9 mm，TiC 与 H 终端金刚石接触的制备流程如图 3（b）所示。Vardi等51研究了由钨形成的碳化物接点，其接触电阻为 2.6 mm，且具有良好的机械稳定性。这些研究还表明，碳化物接触电极可以在氢等离子体暴露下稳定存在。因此，高功函数金属和碳化物可以与 H 终端金刚石实现欧姆接触，且工艺较为简单集成，可以作为FET器件的源漏电极。1.4H终端 MOSFET实现随着 H 终端金刚石材料的研究日益深入，其电子器件的设计开发呼之欲出，其中 FET 是最被关注的领域。在 1994 年，Kawarada 等52使用 CVD 生长的 H终端金刚石衬底（100），通过空气暴露转移掺杂实现导电性，结合 Al栅极的肖特基栅、Au源漏极的欧姆接触，首次实现了 H 终端金刚石三端增强型 FET 的（a）金属 Ti、Pt、Au、Pd与 H终端金刚石的接触43；（b）TiC与 H终端金刚石接触的制备流程50。（a）contact between Ti，Pt，Au，Pd and H-terminated diamond；（b）preparation process of TiC/diamond contact.图 3H终端金刚石可与一些材料形成欧姆接触Figure 3H-terminated diamond can form ohmic contacts with some materials370李志伸等：表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展制备。该器件的栅极长度为 10 m，其最大漏极电流为 1.6 mAmm-1，非本征跨导高达 200 Smm-1；将栅极长度增加到 41 m，由于更大栅极的耗竭区域增加，可以完全关闭器件，进而将非本征跨导降 低 到 20 Smm-1，最 大 漏 极 电 流 降 低 到 0.14 mAmm-1。这项工作开创性地验证了将 H 终端金刚石用于电子领域的潜力，从这项工作开始，利用 H终端金刚石转移掺杂的 FET 技术得到了长足的发展。使 用 气 体 分 子 作 为 转 移 掺 杂 物 可 以 产 生2DHG，有望借此制备出 H 终端金刚石 FET 器件。但气体分子的稳定性较差，于是部分研究者利用Al2O3等绝缘层对 H 终端表面进行钝化封装，提高了气体分子转移掺杂产生 2DHG 的稳定性53-54。NO2作为转移掺杂物时的空穴浓度比空气掺杂时要高一个 数 量 级55-56，是 较 优 的 气 体 分 子 转 移 掺 杂 物。2022 年，Makoto Kasu 等53在高质量异质外延金刚石衬底上使用 NO2作为转移掺杂物，利用 Al2O3进行钝化封装，制备了 H 终端金刚石 MOSFET（见图4（a）。该器件具有 7.54 mcm2的低比导通电阻和0.68 Amm-1的高漏极电流密度，沟道关闭状态下的击穿电压高达-2 568 V，器件还具有 874.6 MWcm-2的最大可用功率密度，达到了当时金刚石器件的最高报告值。后续，他们进一步优化工艺，将击穿电压进一步提高到了-3 326 V54。钝化封装技术一定程度上提高了气体分子掺杂后器件运行的稳定性，但这不仅增加了制备工艺，也依旧难以保证掺杂后 FET 器件的均一性。而在 H终端金刚石表面直接沉积氧化物实现转移掺杂，既简化了制备工艺，又保证了 FET 的稳定性和均一性57。Colangeli等58-59利用 V2O5制备了器件，研究了不同金刚石晶面制备的 FET 的空穴浓度（见图 4（b），其 高 电 子 亲 和 势 允 许 H 终 端 金 刚 石 产 生2DHG。Liu 等60利用电子束蒸发技术直接在 H 终端金刚石上生长 Y2O3氧化物绝缘体，制备了增强型H 终端金刚石 FET，Y2O3薄膜中的正电荷可能补偿了空穴积聚，使得 FET 具有明显的常关特征，最大漏源电流为 114.6 mAmm-1。2表面终端金刚石 FET的研究现状在大多数情况下，H 终端金刚石 FET 表现出常开特性，难以实现安全、节能和逻辑电路的应用，特别是由耗尽模式和增强模式组成的 H 终端金刚石NOT 和 NOR 逻辑电路，因此迫切需要研制增强型H 终端金刚石 FET61。此外，为了提升器件性能以（a）NO2掺杂的 H 终端金刚石 FET 53；（b）V2O5掺杂的 H 终端金刚石 FET 的空穴浓度59。（a）H-terminated diamond FET doped with NO2（b）hole concentration of V2O5 doped H-terminated diamond FET.图 4H终端金刚石 FETs53，59Figure 4H-terminated diamond FETs371材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期满足不同的应用需求，研究者们通过对栅层的制备、表面终端、金刚石掺杂、FET 结构等方面研究，优化了金刚石 FET 的阈值电压、载流子浓度、载流子迁移率、击穿电压等。2.1栅介电层材料2.1.1铁电栅层材料铁电材料作为 FET 的栅层时，其负电容特性可以大幅降低亚阈值摆幅，使其小于传统 MOSFET器件的玻尔兹曼极限 60 mVdec-1 62，提高了 FET的开关速率。此外，铁电材料具有剩余极化，有望同时实现无外加电场时保持 FET器件的开关状态。2009年，Liao等63-64首先使用 Pb（Zr0.52，Ti0.48）O3（PZT）铁电材料作栅，Al2O3作为绝缘层，掺硼单晶金刚石半导体制备了 FET，可应用于非易失性存储器和微机电加工技术。传统铁电材料 PZT 等的复杂制备工艺容易破坏 H 终端金刚石表面65，要求插入绝缘层以提高铁电材料质量，而 2DHG 进一步缩小了绝缘层材料的选择，这严重限制了 H 终端金刚石的铁电 FET发展。相比于 PZT，有机铁电材料聚偏氟乙烯（poly（vinylidene fluoride），PVDF）及其共聚物为柔性薄膜，其制备简单、化学惰性好且受界面问题影响较小66。2016 年，Kawae 等65使用偏氟乙烯（VDF）-三氟乙烯（TrFE）共聚物铁电材料作为栅极，制备了H终端金刚石 FET（见图 5（a）。当栅极电压从 20 V扫至-20 V时，饱和漏极电流最大值为50 mAmm-1，最 大 开 关 电 流 比 和 线 性 迁 移 率 分 别 为 108和398 cm2V-1s-1；此外，通过 VDF-TrFE 栅极的剩余极化调制 FET 结构的漏极电流，在不施加直流栅极电压的情况下获得了 103的开关电流比。HfZrOx铁电材料进一步克服了其他铁电材料难以集成、需要高温退火、高工作电压、大厚度等缺点。Zhang 等67首次展示了一种具有铁电 HfZrOx/Al2O3堆叠栅极介质的 H 终端金刚石负电容 FET67（见图 5（b）。在 7.39.2 V 宽的记忆窗内，测得的最大开关比为 109，栅电压从-10.0 V 到 10.0 V，亚阈值摆幅约为 58 mVdec-1，小于玻尔兹曼极限。这些结果表明，HfZrOx/Al2O3/H 终端金刚石 FET 为金刚石增强型 FET、负电容 FET 和高密度集成非易失性存储器提供了新的可能性。2.1.2其他栅层材料一些栅层材料因其优异特性在 Si半导体器件、热离子电子源等领域有所应用，这些栅层材料的选用可能会简化 H 终端金刚石器件的制备工艺，制备增强型 FET，优化其导电特性68。金属 Y 的功函数较低且沉积工艺简单，不会破坏金刚石的表面终端，是增强型金刚石 FET 的候选栅层材料。Zhang等69首次将 Y 应用于 H 终端金刚石 FET，Y 和金刚石间有 10 nm 厚的 Al2O3介电层。在栅极电压为7 V、漏极源电压为20 V时，栅极长度为8 m的 FET的最大漏极源电流为-53.9 mAmm-1，电流开关比超过 109，亚阈值摆幅为 198 mVdec-1。但较厚的介电层导致 FET 仍为常开模式，因此该组进一步优化了介电层厚度，分别采用了 5 nm Al2O3介质层70和无介电层71方案，成功制备了常关 Y 栅金刚石场 FET。然而，随着介质层的降低，FET 的阈值电压提高且在大电压下栅层易被击穿，限制了Y栅 FET的应用。直接对金属进行氧化制备 H 终端金刚石 FET的栅层，可以简化制备工艺。Wang 等72利用 6 nm（a）VDF-TrFE 栅的 H 终端金刚石 FET65；（b）HfZrOx栅的 H 终端金刚石 FET67。（a）H-terminated diamond FET with VDF-TrFE；（b）H-terminated diamond FET structure with HfZrOx.图 5铁电材料栅的 H终端金刚石 FETsFigure 5H-terminated diamond FETs with ferroelectric material as gate oxide.372李志伸等：表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展厚的 Al 薄膜在室温空气中的自氧化制备了 AlOx层，实现了 H 终端金刚石 FET。AlOx介质层能有效降低泄漏电流，VDS=-15 V时，阈值电压为-0.4 V。Zhang 等73利用电子束蒸发技术在 H 终端金刚石表面沉积了 5 nm 的 Ti薄膜，然后在 120 的空气中热氧化 10 h，形成 Ti/TiOx，成功制备了增强型金刚石 FET。在 VDS为-8 V 时，FET 的 阈 值 电 压 为-0.14 V，Ti 和 H 端金刚石之间功差的不同，从而耗尽了 H 终端金刚石的空穴载流子，使得器件表现为常关特性。六硼化镧（LaB6）具有低功函数、高熔点、低挥发性、低电阻率和高化学稳定性等特点，是热离子电子源领域的常用材料74，Wang 等75采用 LaB6制备了一种增强型 H 终端氢金刚石 FET，其产生增强模式的原因是 LaB6层的电子流入 2DHG 沟道并对空穴进行补偿，导致导电沟道关闭。氟化钡（BaF2）薄膜是 1 种应用广泛的宽禁带能（10.6 eV）绝缘材料76，He等77利用 Al/BaF2栅极材料制备了高性能增强型金刚石 FET（见图 6（a）。该增强模式主要是由于栅极金属对通道的肖特基势垒损耗效应，其次是 BaF2层中存在的正固定电荷。器件在 VGS为-2.1 V，有效空穴迁移率约为 225.0 cm2V-1s-1。为解决一些栅层材料制备工艺会破坏表面 H终端和栅层材料本身的问题，一些研究者提出了使用 Al2O3作为过渡栅层78。Liu 等79研究了高介电常数材料 ZrO2/Al2O3双分子层的能带结构、ZrO2/Al2O3双分子层的击穿场强及栅漏距离对金刚石FET 性能的影响。他们还采用 ALD 制备 Al2O3薄膜作为 TiO2和 H 终端金刚石表面之间的缓冲层，抑制了等离子体放电效应，降低了漏电流80。但采用两种栅层材料不可避免地增加了 H 终端金刚石FET的工艺流程，提高了制备成本。目前使用的各种栅层与表面终端金刚石接触时，其转移掺杂形成的电离表面受体会产生空穴散射，降低了空穴迁移率，限制了表面终端金刚石器件的性能。而二维材料无悬挂键的特性可以提供更良好的界面状态，提高器件载流子迁移率。Sasama等81-82以单晶六方氮化硼（h-BN）作为栅极电介质，制备了常态关的 H 终端金刚石 FET，并测试了输出特性曲线（见图 6（b）。界面处的表面受体密度降低，但（a）以绝缘材料BaF2作为栅层的H终端金刚石FET 77；（b）以二维材料h-BN作为栅层的 H终端金刚石 FET及其输出特性曲线82。（a）H-terminated diamond FET with insulator BaF2（b）H-terminated diamond FET and its output characteristic curve using two-dimensional material h-BN.图 6非 TMOs栅层的 H终端金刚石 FETs77，82Figure 6H-terminated diamond FETs without TMOs gate layer373材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2DHG具有较高的室温霍尔迁移率（680 cm2V-1s-1），与其他p通道宽带隙FET相比，器件具有较低的片电阻（1.4 k）和较大的 ON电流（1 600 mmAmm-1），开关比为108。但使用二维材料作为栅层会导致在大电压情况下，栅极可能首先被击穿，这会显著降低 H终端金刚石FET的击穿电压82。2.2表面端基除 H 终端金刚石外，O、F、Si等终端的金刚石也曾被广泛研究，他们的电子亲和势差别较大，因此改变金刚石表面终端构成，可以极大地影响 2DHG 的导电特性83。相比于其他氧化物绝缘层，SiO2具有最宽的带隙和更简单的制备流程，更有利于功率器件的制备与应用，因此对 Si终端金刚石 2DHG 的性质及电场效应对其导电性的影响进行研究十分有必要84。2015 年，Schenk 等85-86研究了在真空 Si终端金刚石的形成和表面表征，发现了氧化 Si终端金刚石上的能带弯曲。2020 年，Fei 等84在 SiO2掩膜的选择性外延生长过程中，利用 Si终端取代掩膜下金刚石原本的 O终端。研究发现：高温的选择性生长及还原气氛使SiO2中的 Si原子与金刚石表面相互作用，从而形成由金刚石表面单层或多层 C-Si键组成的 Si终端金刚石，利用 Si终端金刚石制备的 FET 均表现出增强模式特性，且 Si终端金刚石的导电性同样受到电场调制。之后，浮现出了一些新的 Si终端金刚石导电沟道的制备方法，Zhu 等87在还原气氛中对 SiO2栅绝缘体进行退火，在（111）金刚石衬底上构建了金刚石/Si 界面，采用 Si 终端金刚石的导电通道制备了相 应 的 FET（见 图 7（a），检 测 表 明 SiO2薄 膜 和（111）金刚石之间界面良好，这确保了其较高的沟道空穴迁移率 200 cm2V-1s-1和较低的界面态密度3.81011 cm-2eV-1。2022 年，Fu 等88利用分子束沉积技术实现原子尺度 Si沉积，优化了 Si终端金刚石的制备方法。与 H 终端不同，O 终端金刚石的电子亲和势高达+1.7 eV89，难以实现转移掺杂产生 2DHG，因此一些研究人员想到以此来制备增强型金刚石表面终端 FET90-91。Kitabayashi等90利用氧化部分导电沟道制备了 H 终端金刚石 FET，该器件在室温下表现出超过 2 kV 的高击穿电压和常断特性（见图 7（b）。Chen等91采用 Al2O3纳米粒子掩膜的超强力臭氧工艺制备了部分 O 终端金刚石，与 Al/H 终端金刚石相比，Al/O 终端金刚石结构具有更高的 SBH，可以很好地抑制金刚石 FET关闭状态下的漏电流。2.3金刚石掺杂与 FET结构除了对金刚石表面终端和栅层的优化外，一些研究者通过改变金刚石 FET 结构，调控金刚石的掺杂 92-93 和晶体取向 59 等，从而优化表面终端金刚石FET。对金刚石材料进行掺杂，可以显著改变其载流子浓度，调控 2DHG 导电特性，增加 FET 的耐击穿场强。Kawarada 等92使用离子注入在 H 终端导电 沟道下方形成一层薄的 N 掺杂层，实现了增强型金刚石表面终端 FET（见图 8（a）。N 是深层供（a）Si终端金刚石 FET84；（b）部分 O沟道金刚石 FET及能带图90。（a）Si-terminated diamond FET；（b）partial C-O channel diamond FET.图 7其他表面终端的金刚石 FETsFigure 7Other surface terminations of diamond FETs374李志伸等：表面终端金刚石场效应晶体管的研究进展体（1.7 eV），氮 掺 杂 层 抑 制 了 近 表 面 空 穴 的 积聚，FET 的阈值电压高达-2.5 V，室温击穿场强为2.7 MVcm-1。在 64 个具有相同栅极长度的设备中，75%表现为增强型特性。对源漏区的金刚石材料进行掺杂，可以优化其与金属电极的接触，实现低欧姆接触电阻。Zhu等94报道了一种高漏极电流密度的增强型 H 终端金刚石 MOSFET，在多晶金刚石衬底上沉积了大量掺硼层作为源漏区，以栅极宽度归一化计算的最大电流密度为-400 mAmm-1。进一步研究发现，掺杂 B 的源和漏极可以提供高浓度的空穴，提高了由H终端引起的表面 p型通道电输运特性93。此外，部分研究者借鉴传统 MOSFET器件的结构，制备出了导通电流更高的 H 终端金刚石器件。Tsunoda等95研究了一种具有沟槽栅结构的低导通电阻的（001）垂直型 H终端金刚石 FET（见图 8（b）。研究发现：在引入沟槽栅结构后，器件的有源面积减小，显著提高了 FET器件的集成度，并获得了更大的导通电流。在 VDS=-50 V和 VGS=-20 V时，最大漏极电流密度超过 20 kAcm-2，这是目前（001）晶面垂直型金刚石 MOSFET的最高值。之后，该组又制备出了 U 型槽的垂直型 H 终端金刚石器件，获得了垂直型器件的最高击穿电压 580 V96。然而，具有沟槽垂直型 FET 器件会集聚电场，大幅降低了器件的击 穿 电 压，限 制 了 H 终 端 金 刚 石 垂 直 型 器 件 的发展。3总结与展望本文介绍了 H 终端金刚石转移掺杂物的发展，综述了当前 2DHG 的产生机理。为了进一步提高表面终端金刚石 FET 的载流子浓度、迁移率、击穿电压，获得性能优良的增强型 FET，需要从栅层材料选择、表面终端、结构和掺杂等技术手段着手优（a）沟道部分 N 掺杂的 H 终端金刚石 FET 及能带图92；（b）U 型沟槽的垂直型 H 终端金刚石 FET96。（a）H-terminated diamond FET with partial N-doped channel；（b）H-terminated diamond vertical FET with U trench.图 8掺杂和结构优化 H终端金刚石 FETs92，96Figure 8Doping and structural optimization H-terminated diamond FETs375材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期化，总结了近年来不同优化方案下 H 终端 FET 器件的性能（见表 2）。本文总结了当前优化方案的主要出发点和问题。栅层材料可以极大地影响 2DHG 的导电特性。选择常规的氧化物绝缘体作为栅层，其载流子散射较为严重，且无法获得增强型特性；选择非常规栅层时，高击穿电压、优良的导电特性和增强型 FET 往往不可兼得。这可能是由于界面处的电荷转移较容易，往往其载流子散射严重或难以承受较高的电压，而界面处电荷转移困难，则会导致载流子浓度较低，阈值电压较高，FET 开关性能差。需要更加深入地了解 H 终端金刚石的 2DHG 导电机制，寻找栅层材料，以获得更好的界面状态。从表面终端处理、结构和掺杂等方式可以特定解决部分问题。通过表面终端处理，有望优化 FET的击穿电压并获得增强型特性。FET 结构的改变可以大幅优化其导电特性，而掺杂有望优化电极与金刚石的接触并获得增强型特性。当前，H 终端金刚石 FET 已经有了长足的发展，各种优化技术相结合，可以进一步提升其导电特性和击穿电压，而金刚石本身具有优良的导热率，可以一定程度上缓解功耗散热的问题，这使得其在高温、高功率和高频的电子器件领域必有一席之地。H 终端金刚石与铁电材料等其他功能材料结合，在光学传感、非易失性存储等领域也有望得到应用。然而，金刚石无法 n型掺杂，极大地限制着金刚石 FET 器件击穿电压的提升，无法发挥金刚石本身的优良性能，无法制备常规的 MOSFET、IGBT 等器件，难以与 SiC 等半导体材料竞争。此外，金刚石器件的大规模应用仍受限于大尺寸、高质量的金刚石晶圆制备，有待进一步解决。参考文献：1 ISBERG J，HAMMERSBERG J，JOHANSSON E，et al.High carrier mobility in single-crystal plasma-deposited diamondJ.Science，2002，297（5587）：1670-1672.2 SPEAR K E.Diamondceramic coating of the future J.Journal of the American Ceramic Society，1989，72（2）：171-191.3 王彩华.掺硼金刚石薄膜表面高分散镍纳米颗粒的制备 J.材料研究与应用，2023，17（1）：136-141.4 傅上，林松盛，范舒瑜，等.化学前处理对硬质合金基材及金刚石涂层性能的影响J.材料研究与应用，2023，17（01）：130-135.5 侯惠君，代明江，林松盛，等.H13钢等离子渗氮-类金刚石膜（DLC）复合处理的性能研究 J.材料研究与应用，2010，4（01）：36-39.6 CRAWFORD K G，MAINI I，MACDONALD D A，et al.Surface transfer doping of diamond：A review J.Progress in Surface Science，2021，96（1）：100613.7 TEUKAM Z，CHEVALLIER J，SAGUY C，et al.Shallow donors with high n-type electrical conductivity in homoepitaxial deuterated boron-doped diamond layersJ.Nature Materials，2003，2（7）：482-486.8 SAADA D，ADLER J，KALISH R.Sulfur：A potential donor in diamond J.Applied Physics Letters，2000，77（6）：878-879.9 NAKAZAWA K，TACHIKI M，KAWARADA H，et al.Cathodoluminescence and hall-effect measurements in sulfur-doped chemical-vapor-deposited diamond J.Applied Physics Letters，2003，82（13）：2074-2076.10 龚春生，李尚升，张贺.P 型和 N 型金刚石薄膜研究进表 2近年来 H终端金刚石 FET的性能Table 2Performance of H-terminated diamond FETs in recent years优化方案NO2掺杂NO2掺杂VDF/TrFE栅HfZrOx栅h-BN栅Si终端部分 O终端N离子注入p-漂移区最大漏电流-0.68 Amm-10.42 Amm-150 mAmm-1-51 mAmm-11 600 mmAmm-1-156 mAmm-118.2 mAmm-1-5.4 mAmm-1210 mAmm