Halbleitertechnik Weltweit erster n-Kanal Diamant-FET

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Ein amerikanisches Forschungsteam hat den weltweit ersten n-Kanal-MOSFET aus Diamant entwickelt. Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu integrierten CMOS-Schaltungen für Anwendungen in rauen Umgebungen und zur Entwicklung von Leistungselektronik-Komponenten aus Diamant.

Der Halbleiter Diamant hat interessante physikalische Eigenschaften wie eine extrem breite Bandlücke von 5,5 eV, eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Damit ist dieser Halbleiter für Anwendungen unter extremen Umweltbedingungen mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit vielversprechend, beispielsweise in Umgebungen mit hohen Temperaturen und starker Strahlung (wie in der Nähe von Kernreaktorkernen).

Diamantenelektronik verringert nicht nur den Kühlungsbedarf. Diese Bauelemente arbeiten auch energieeffizienter und können wesentlich höheren Durchbruchsspannungen standhalten.

Außerdem sind Diamant-Halbleiter in den Bereichen Leistungselektronik, Spintronik und MEMS-Sensorik auch unter Hochtemperatur- und starken Strahlungsbedingungen funktionsfähig. Die Nachfrage nach Peripherieschaltungen auf der Grundlage von Diamant-CMOS-Bauelementen für die monolithische Integration hat bereits zugenommen.

Für die Herstellung integrierter CMOS-Schaltungen werden sowohl p- als auch n-Kanal-MOSFETs benötigt, wie sie auch für die herkömmliche Siliziumelektronik erforderlich sind. N-Kanal-MOSFETs aus Diamant waren bisher jedoch noch nicht entwickelt worden.

Züchtung von n-Typ Diamant-Halbleitern

Ein Forschungsteam am National Institute for Materials Science (NIMS) hat jetzt ein spezielles Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem hochwertige einkristalline n-Typ Diamant-Halbleiter gezüchtet werden können, indem es homoepitaktische Diamant-Schichten der (111)-Ebene mit einer geringen Konzentration von Phosphor dotiert hat (Bild, Diagramm links).

Die n-Typ-(111)-Diamantepitaxie wurde mit einem Step-Flow-Keimbildungsmodus gezüchtet, was eine präzise Kontrolle der Kristallqualität und der Donatorverteilung ermöglicht.

Damit gelang es dem Team weltweit zum ersten Mal einen n-Kanal-MOSFET aus Diamant herzustellen.

Die mit Phosphor dotierten Epitaxieschichten wurden mittels mikrowellenplasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (MPCVD) auf einem Typ-Ib (111)-Hochdruck-Hochtemperatur-Diamantsubstrat (HPHT) mit einer Fehlorientierung von 3° erzeugt.

Der n-Typ-Diamant enthält zwei phosphordotierte Epilayer: einen leicht dotierten Diamant-Epilayer für den Bauelementekanal und einen stark dotierten Diamant-Epilayer für den ohmschen Kontakt (Bild, mittlere Grafik).

Die leicht dotierte n-Diamant-Epitaxieschicht wurde direkt auf dem HPHT-Diamantsubstrat aufgewachsen.

Durch die Verwendung der letztgenannten Diamantschicht wurde der Source- und Drain-Kontaktwiderstand erheblich verringert. Das Team bestätigte, dass der hergestellte Diamant-MOSFET tatsächlich als n-Kanal-Transistor funktionierte.

Darüber hinaus wies das Team die hervorragende Hochtemperaturleistung des MOSFETs nach, die sich aus der Feldeffekt-Mobilität von etwa 150 cm²/V・s bei 300 °C ergibt (Bild, Grafik rechts).

Diese Errungenschaften sollen die Entwicklung integrierter CMOS-Schaltungen für die Herstellung energieeffizienter Leistungselektronik, spintronischer Bauelemente und (MEMS-)Sensoren unter rauen Bedingungen erleichtern.

Das Projekt wurde von Meiyong Liao vom Research Center for Electronic and Optical Materials (RCEOM, NIMS), Huanying Sun (RCEOM, NIMS) und Satoshi Koizumi (RCEOM, NIMS) durchgeführt. Das Projekt wurde in 'Advanced Science' beschrieben (doi.org/10.1002/advs.202306013). (kr)

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* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

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