一般来说，掺杂硼的金刚石场效应管采用肖特基触点作为栅电极，因为实现n型导电性金刚石仍然是一个重大挑战。然而，已报道的金属半导体场效应管(MESFET)器件通常显示“正常导通”特性，这对于电路的安全性和能效来说并不理想。

　　金刚石具有超宽带隙、高临界电场、高导热系数等优异的物理性能，是下一代电力电子器件的理想候选材料。到目前为止，基于端氢掺硼金刚石的场效应晶体管已经研制成功。与掺硼金刚石相比，端接氢的金刚石场效应管有利于获得更高的输出电流、更高的截止频率和最大振荡频率。然而，表面二维孔气通道存在低迁移率和长期可靠性问题。因此，在掺硼金刚石上制作器件是充分挖掘金刚石的潜力和集成兼容性的必要条件。

　　本文利用TCAD软件设计并优化了一种具有凹槽栅极和电流分布层的n-ZnO/p金刚石异质结场效应晶体管(HJ-FET)。n-ZnO/p和p金刚石的掺杂浓度和厚度对阈值电压和击穿电压都有显著影响。此外，由于沟道层上的损耗能力增强，通过引入凹槽栅极可以进一步提高阈值电压。虽然增强电场的导通调制降低了导通电阻，但凹槽栅极的击穿电压明显降低了电学性能。最后，在源极和漏极之间增加一个电流分布层，以降低HJ-FET的导通电阻。优化后的金刚石HJ-FET具有较大的阈值电压、较小的导通电阻和较高的击穿电压。

　　模拟中使用的HJ-FET结构示意图如图1所示。参考平面栅极结构(图1a)由绝缘子金刚石衬底和p型金刚石沟道层组成。采用欧姆触点作为源极和漏极。将栅极覆盖的n型ZnO置于金刚石沟道层上，形成p-n结。栅极与源极之间的长度设置为3 μm，栅极与漏极之间的长度设置为9 μm。栅极与源极之间的长度和栅极与漏极之间的长度设置为2 μm和8 μm。凹槽栅极宽度为2 μm，带凹槽栅极和不带凹槽栅极的器件总长度为18 μm。为实现常关操作，引入如图1b所示的凹槽栅结构。此外，采用位于通道上的p+型金刚石层作为电流分布层(CDL，图1c)，有利于有效降低导通电阻。HJ-FET的基本参数是p型金刚石和n型ZnO的厚度和掺杂浓度，分别用Tp、Tn、Cp (NA0)和Cn (ND0)表示。对于常关的HJ-FET，评估沟槽栅极凹槽深度(Dtr)以优化阈值电压(Vth)。实验结果表明，采用掩膜氧基选择性刻蚀法可以较容易地获得凹栅结构。此外，通过改变CDL的厚度(TCDL)和掺杂浓度(CCDL)，实现了Ron的优化。

　　图1 采用不同栅极设计的器件结构示意图进行仿真。(a)为参考平面晶体管，(b)为凹槽栅晶体管，(c)为带电流分布层的凹槽栅晶体管。(d)为硼掺杂浓度分别为5 × 1015 cm−3、1 × 1016 cm−3、5 × 1016 cm−3、1 × 1017 cm−3时的电阻率随温度变化。

　　Vth与Tp在不同Cp下的变化如图2a所示。对于特定的Cp，随着Tp的增加，Vth从负值(常关操作)过渡到正值(常开操作)。同样，对于特定的Tp，随着Cp的增加，Vth也在正向移动。一般来说，结栅的可控性取决于n- ZnO/p-金刚石界面的耗尽宽度。当Cp和Tp较小时，p-金刚石通道层会完全耗尽，导致正常关闭。另一方面，当Cp和Tp大于临界值并且需要额外的栅极偏置以获得正常关闭操作时，只有顶部通道层被耗尽。PP电子 PP电子平台如图2b所示，栅极电压为0 V时模拟的击穿电压(BV)与栅极电压Vth的趋势相似。在不同Cp下，随Tp的增加，Ron明显减小(图2c)，这可以归因于Cp的增加提供了更多的载流子，Tp的增加增加了传导面积。

　　复合率和冲击产生率的分布如图3所示。当Cn为5 × 1017 cm−3时，ZnO中的损耗宽度较大，在ZnO和金刚石中都发生了冲击生成过程(图3a和b)。ZnO较高的复合率有助于抑制泄漏电流(图3a)。而当Cn为5 × 1018 cm−3时，损耗区主要分布在金刚石内部，与5 × 1017 cm−3时相比，复合率较小(图3c)，冲击产生率较大(图3d)。因此，ZnO/金刚石界面的损耗区相对于Cn的重新分布导致了BV的降低。。

　　将CDL的浓度设置为5 × 1016 cm−3，而TCDL的范围为10 ~ 40 nm。图4a总结了相应的传递曲线 nm的器件的典型输出曲线c所示，与不加CDL相比，推导出的Ron随TCDL的增加而急剧下降。由于掺杂浓度高，CDL的电阻比p金刚石通道小得多。该低阻层与高阻p金刚石通道并联，使导通电阻更小。然而，由于CDL的耗尽比较困难，该器件的漏电流较大，这将降低BV。结果表明，在10 nm CDL下，凹槽栅HJ-FET的BFOM可以提高到69.2 MW/cm2(图4d)。。

　　设计了一种具有凹槽栅和电流分布层的n-ZnO/p-金刚石HJ-FET，并利用TCAD软件讨论了不同结构参数对电性能的影响。模拟结果表明，n-ZnO的Cn (Cp)和Tn (Tp)越高(越低)，损耗能力越强，Vth和BV越高。此外，由于p金刚石的有效Tp较小，在p-金刚石上采用凹栅结构也可以进一步提高Vth。值得注意的是，与参考器件相比，凹栅器件的BV和Ron突然减小。虽然增强电场的导通调制降低了导通电阻，但凹槽栅极明显降低的BV使电学性能下降。此外，还增加了一个电流分布层，以减少由于载流子浓度增加而导致的Ron。

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