【原】提高12.5倍！金刚石半导体又有突破性进展！
功率半导体在现代电子设备中起着关键作用，尤其是在电力电子、汽车和航空航天等领域。金刚石因其卓越的热导率、高电子迁移率及宽禁带特性，是下一代功率半导体的理想材料。传统的硅基MOSFET由于材料的物理极限，在高功率、高频率和高温环境下性能受限，因此宽禁带半导体材料成为了研究热点。然而，相较于SiC和GaN，金刚石具有更优异的物理性质。首先，金刚石的禁带宽度远超SiC和GaN，因此金刚石器件具有更高的耐压能力。其次，金刚石的热导率高达2000 W/m·K，是SiC的4倍，有助于减少功率器件的热管理难度。此外，金刚石的电子迁移率高，使其在高频、高功率应用中具有更高的效率。尽管金刚石具有众多优势，但在实际应用中仍然面临诸多挑战，其中最主要的问题是金属氧化膜与金刚石半导体层的界面质量。由于金刚石的表面缺陷和界面态密度较高，电子散射严重，导致MOSFET的电阻较大，影响器件的性能。如何降低金刚石MOSFET的电阻，提高器件的电流密度，一直是研究的难点。近日，日本金泽大学的研究团队联合德国金刚石与碳应用技术中心合作，在该领域取得突破性进展——成功制作出在MOS界面采用完全平坦的金刚石表面的“反型层沟道金刚石MOSFET”，将金刚石MOSFET的电阻降低了一个数量级，并将电流密度提升至之前研究的12.5倍。新开发的反型层沟道金刚石MOSFET的示意图和光学显微镜图像。图源：金泽大学研究团队通过优化金属氧化膜与金刚石半导体层的界面，使其达到原子级平坦，从而显著降低了电子散射。首先，采用特殊的氧化膜沉积技术，使金属氧化膜与金刚石界面更加平整，减少界面缺陷，通过原子层沉积技术精确控制界面厚度，提高氧化膜的均匀性。由于界面缺陷减少，电子在通道内的散射降低，电流传输更加顺畅，经测量发现，优化后器件的电流密度提升了12.5倍。通过界面工程的优化，MOSFET的总电阻降低了一个数量级，使其功率损耗显著减少，使得金刚石MOSFET的开关性能更优，有助于在高频、高功率应用中实现更高的效率。随着金刚石在半导体领域的潜力逐渐被认可，全球各地的研究团队纷纷投入金刚石MOSFET的研究。我国的科研人员也在这一领域取得了显著成果。北京科技大学刘金龙副研究员与早稻田大学合作，在(111)金刚石衬底上成功制备了高性能的C-Si MOSFET器件。他们采用原子层沉积技术，优化了氧化铝与金刚石界面，显著提升了器件的迁移率和稳定性，为金刚石MOSFET的实际应用提供了新的思路。河北省半导体研究所的冯志红团队在单晶金刚石(001)上制备了具有同质外延层的金刚石场效应晶体管。研究人员采用高质量的Al₂O₃作为栅介质，制备的金刚石FET显示出35Ω·mm的欧姆接触电阻，500mA/mm的最大漏饱和电流密度和20.1 mS/mm的最大跨导。在2GHz频率下，器件实现了4.2W/mm的连续波输出功率密度，展示了金刚石在高频大功率电子器件中的应用潜力。西安电子科技大学张金风教授团队基于低温原子层沉积的氧化铝栅介质和钝化层，成功制备了栅长为2微米的金刚石MOSFET器件，达到了339 mA/mm的饱和输出电流。这一成果刷新了同等栅长金刚石MOSFET器件的性能纪录，进一步证明了金刚石在高性能电子器件中的潜力。金刚石MOSFET在多个高功率、高频应用场景中具有巨大潜力，因此这些科研突破对于金刚石功率半导体的商业化应用具有重大意义。在电动汽车与新能源领域，目前的EV动力系统广泛采用SiC MOSFET，金刚石MOSFET的引入可进一步降低能耗，提高续航里程。在充电基础设施中，金刚石功率半导体可显著提升充电效率。在航空航天领域，航空航天器需要耐高温、高辐射环境的半导体材料，金刚石MOSFET由于其卓越的热稳定性和高功率密度，非常适用于航天器电源管理。在太阳能和风能发电系统中，逆变器的转换效率是影响发电效率的关键因素。金刚石MOSFET的高功率密度和低损耗特性，可提升能量转换效率。尽管金刚石MOSFET具有众多技术优势，但要实现大规模产业化仍面临诸多挑战：首先，金刚石材料的制备成本较高，目前主要依赖化学气相沉积技术，如何降低生产成本是产业化的关键。据了解，该研究团队正致力于探索更低成本的异质外延生长技术，例如在硅基片上生长金刚石膜，以实现大面积、低成本生产。此外，金刚石MOSFET的制造工艺仍需进一步优化，包括掺杂控制、界面工程、栅氧化层制备等。目前，研究团队已经成功在实验室条件下验证了反转层通道MOSFET的性能，下一步是实现大规模量产。随着制造工艺的不断优化和成本的逐步降低，金刚石功率半导体有望在新能源汽车、航空航天、可再生能源和电网等领域发挥重要作用。未来，随着更多企业和研究机构的参与，金刚石MOSFET有望迎来产业化的突破，为全球功率半导体市场带来革命性的变革。
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