El silicio ha proporcionado enormes beneficios a la industria de la electrónica de potencia. Pero el rendimiento de la electrónica de potencia basada en silicio se está acercando a su capacidad máxima.

Introduzca semiconductores de banda ancha ancha (WBG). Considerado como significativamente más eficiente en energía, han surgido como competidores líderes en el desarrollo de transistores de efecto de campo (FET) para electrónica de potencia de próxima generación. Dicha tecnología FET se beneficiaría de todo, desde la distribución de fuentes de energía renovable en la red eléctrica hasta los motores de automóviles y trenes.

El diamante es ampliamente reconocido como el material más ideal en el desarrollo de WBG, debido a sus propiedades físicas superiores, que permiten que los dispositivos funcionen a temperaturas mucho más altas, voltajes y frecuencias, con pérdidas de semiconductores reducidas.

Un desafío principal, sin embargo, en la realización de todo el potencial del diamante en un tipo importante de FET, a saber, Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido de metal (MOSFET):es la capacidad de aumentar la movilidad del portador del canal del agujero. Esta movilidad, relacionado con la facilidad con la que fluye la corriente, es esencial para la corriente en estado de los MOSFET.

Investigadores de Francia, el Reino Unido y Japón incorporan un nuevo enfoque para resolver este problema mediante el uso del régimen de agotamiento profundo de los MOSFET de diamantes dopados con boro a granel. La nueva prueba de concepto permite la producción de estructuras MOSFET de diamante simples a partir de pilas de depilación individuales dopadas con boro. Este nuevo método, específico para semiconductores WBG, aumenta la movilidad en un orden de magnitud. Los resultados se publican esta semana en Letras de física aplicada .

En una estructura típica de MOSFET, una capa de óxido y luego una puerta de metal se forman en la parte superior de un semiconductor, que en este caso es diamante. Al aplicar un voltaje a la puerta de metal, la densidad de portadores, y de ahí la conductividad, de la región de diamantes justo debajo de la puerta, el canal, se puede cambiar drásticamente. La capacidad de utilizar este "efecto de campo" eléctrico para controlar la conductividad del canal y cambiar los MOSFETS de conductores (estado encendido) a altamente aislantes (estado apagado) impulsa su uso en aplicaciones de control de potencia. Muchos de los MOSFET de diamante demostrados hasta la fecha se basan en una superficie de diamante terminada en hidrógeno para transferir portadores cargados positivamente. conocido como agujeros, en el canal. Más recientemente, operación de estructuras MOS de diamante terminadas en oxígeno en un régimen de inversión, similar al modo de funcionamiento común de los MOSFETS de silicio, ha sido demostrado. La corriente en estado de un MOSFET depende en gran medida de la movilidad del canal y en muchos de estos diseños de MOSFET, la movilidad es sensible a la rugosidad y los estados de defecto en la interfaz de óxido de diamante donde se produce la dispersión no deseada del portador.

Para abordar este asunto, los investigadores exploraron un modo de funcionamiento diferente, el concepto de agotamiento profundo. Para construir su MOSFET, los investigadores depositaron una capa de óxido de aluminio (Al2O3) a 380 grados Celsius sobre una capa epitaxial de diamante gruesa terminada en oxígeno. Crearon agujeros en la capa de diamante incorporando átomos de boro en la capa. El boro tiene un electrón de valencia menos que el carbono, por lo que incluirlo deja un electrón faltante que actúa como la adición de una carga positiva, o agujero. La depiladora a granel funcionó como un canal de orificio conductor grueso. El transistor pasó del estado activado al estado desactivado mediante la aplicación de un voltaje que repelió y agotó los orificios:la región de agotamiento profundo. En transistores basados ​​en silicio, este voltaje también habría resultado en la formación de una capa de inversión y el transistor no se habría apagado. Los autores pudieron demostrar que las propiedades únicas del diamante, y en particular la gran banda prohibida, formación suprimida de la capa de inversión que permite la operación en el régimen de agotamiento profundo.

"Fabricamos un transistor en el que el estado de encendido está garantizado por la conducción del canal a granel a través de la depiladora de diamante dopada con boro, "dijo Julien Pernot, investigador del Instituto NEEL en Francia y autor del artículo. "El estado desactivado está asegurado por la gruesa capa aislante inducida por el régimen de agotamiento profundo. Nuestra prueba de concepto allana el camino para aprovechar al máximo el potencial del diamante para aplicaciones MOSFET". Los investigadores planean producir estas estructuras a través de su nueva startup llamada DiamFab.

Pernot observó que principios similares de este trabajo podrían aplicarse a otros semiconductores WBG. "El boro es la solución de dopaje para el diamante, "Pernot dijo, "pero otras impurezas dopantes probablemente serían adecuadas para permitir que otros semiconductores de banda prohibida amplia alcancen un régimen estable de agotamiento profundo".