High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures

材料科学 光电子学 钻石 晶体管 带隙 异质结 宽禁带半导体 半导体 兴奋剂 电子迁移率 场效应晶体管 电压 电气工程 工程类 复合材料
作者
Yosuke Sasama,Taisuke Kageura,Masataka Imura,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Takashi Uchihashi,T. Yamaguchi
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:5 (1): 37-44 被引量:85
标识
DOI:10.1038/s41928-021-00689-4
摘要

Field-effect transistors made of wide-bandgap semiconductors can operate at high voltages, temperatures and frequencies with low energy losses, and are important for power and high-frequency electronics. However, wide-bandgap p-channel transistors perform poorly compared with n-channel ones, making complimentary circuits difficult to achieve. Hydrogen-terminated diamond is a potential p-type material for such devices, but surface transfer doping—thought to be required to generate conductivity—limits performance because it requires ionized surface acceptors that can lead to hole scattering. Here we show that p-channel wide-bandgap heterojunction field-effect transistors can be created, without surface transfer doping, using a hydrogen-terminated diamond channel and hexagonal boron nitride gate insulator. Despite having a reduced density of surface acceptors, the transistors have a low sheet resistance (1.4 kΩ) and large ON current (1,600 μm mA mm−1) compared with other p-channel wide-bandgap transistors, due to a high room-temperature Hall mobility (680 cm2 V−1 s−1). The transistors also exhibit normally OFF behaviour with an ON/OFF ratio of 108. Wide-bandgap transistors with room-temperature hole mobility of 680 cm2 V−1 s−1 can be created without surface doping using hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures.
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