提高12.5倍！金剛石半導(dǎo)體又有突破性進(jìn)展！

功率半導(dǎo)體在現(xiàn)代電子設(shè)備中起著關(guān)鍵作用，尤其是在電力電子、汽車和航空航天等領(lǐng)域。金剛石因其*的熱導(dǎo)率、高電子遷移率及寬禁帶特性，是下一代功率半導(dǎo)體的理想材料。

傳統(tǒng)的硅基MOSFET由于材料的物理極限，在高功率、高頻率和高溫環(huán)境下性能受限，因此寬禁帶半導(dǎo)體材料成為了研究熱點。然而，相較于SiC和GaN，金剛石具有更優(yōu)異的物理性質(zhì)。首先，金剛石的禁帶寬度遠(yuǎn)超SiC和GaN，因此金剛石器件具有更高的耐壓能力。其次，金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/m·K，是SiC的4倍，有助于減少功率器件的熱管理難度。此外，金剛石的電子遷移率高，使其在高頻、高功率應(yīng)用中具有更高的效率。

盡管金剛石具有眾多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，其中*主要的問題是金屬氧化膜與金剛石半導(dǎo)體層的界面質(zhì)量。由于金剛石的表面缺陷和界面態(tài)密度較高，電子散射嚴(yán)重，導(dǎo)致MOSFET的電阻較大，影響器件的性能。如何降低金剛石MOSFET的電阻，提高器件的電流密度，一直是研究的難點。

近日，日本金澤大學(xué)的研究團(tuán)隊聯(lián)合德國金剛石與碳應(yīng)用技術(shù)中心合作，在該領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展——成功制作出在MOS界面采用完全平坦的金剛石表面的“反型層溝道金剛石MOSFET”，將金剛石MOSFET的電阻降低了一個數(shù)量級，并將電流密度提升至之前研究的12.5倍。

研究團(tuán)隊通過優(yōu)化金屬氧化膜與金剛石半導(dǎo)體層的界面，使其達(dá)到原子級平坦，從而顯著降低了電子散射。

首先，采用特殊的氧化膜沉積技術(shù)，使金屬氧化膜與金剛石界面更加平整，減少界面缺陷，通過原子層沉積技術(shù)*控制界面厚度，提高氧化膜的均勻性。由于界面缺陷減少，電子在通道內(nèi)的散射降低，電流傳輸更加順暢，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后器件的電流密度提升了12.5倍。通過界面工程的優(yōu)化，MOSFET的總電阻降低了一個數(shù)量級，使其功率損耗顯著減少，使得金剛石MOSFET的開關(guān)性能更優(yōu)，有助于在高頻、高功率應(yīng)用中實現(xiàn)更高的效率。

隨著金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的潛力逐漸被認(rèn)可，全球各地的研究團(tuán)隊紛紛投入金剛石MOSFET的研究。我國的科研人員也在這一領(lǐng)域取得了顯著成果。

北京科技大學(xué)劉金龍副研究員與早稻田大學(xué)合作，在(111)金剛石襯底上成功制備了高性能的C-SiMOSFET器件。他們采用原子層沉積技術(shù)，優(yōu)化了氧化鋁與金剛石界面，顯著提升了器件的遷移率和穩(wěn)定性，為金剛石MOSFET的實際應(yīng)用提供了新的思路。

河北省半導(dǎo)體研究所的馮志紅團(tuán)隊在單晶金剛石(001)上制備了具有同質(zhì)外延層的金剛石場效應(yīng)晶體管。研究人員采用高質(zhì)量的Al?O?作為柵介質(zhì)，制備的金剛石FET顯示出35Ω·mm的歐姆接觸電阻，500mA/mm的*大漏飽和電流密度和20.1mS/mm的*大跨導(dǎo)。在2GHz頻率下，器件實現(xiàn)了4.2W/mm的連續(xù)波輸出功率密度，展示了金剛石在高頻大功率電子器件中的應(yīng)用潛力。

西安電子科技大學(xué)張金風(fēng)教授團(tuán)隊基于低溫原子層沉積的氧化鋁柵介質(zhì)和鈍化層，成功制備了柵長為2微米的金剛石MOSFET器件，達(dá)到了339mA/mm的飽和輸出電流。這一成果刷新了同等柵長金剛石MOSFET器件的性能紀(jì)錄，進(jìn)一步證明了金剛石在高性能電子器件中的潛力。

金剛石MOSFET在多個高功率、高頻應(yīng)用場景中具有巨大潛力，因此這些科研突破對于金剛石功率半導(dǎo)體的商業(yè)化應(yīng)用具有重大意義。

在電動汽車與新能源領(lǐng)域，目前的EV動力系統(tǒng)廣泛采用SiCMOSFET，金剛石MOSFET的引入可進(jìn)一步降低能耗，提高續(xù)航里程。在充電基礎(chǔ)設(shè)施中，金剛石功率半導(dǎo)體可顯著提升充電效率。

在航空航天領(lǐng)域，航空航天器需要耐高溫、高輻射環(huán)境的半導(dǎo)體材料，金剛石MOSFET由于其*的熱穩(wěn)定性和高功率密度，非常適用于航天器電源管理。

在太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的轉(zhuǎn)換效率是影響發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。金剛石MOSFET的高功率密度和低損耗特性，可提升能量轉(zhuǎn)換效率。

盡管金剛石MOSFET具有眾多技術(shù)優(yōu)勢，但要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

首先，金剛石材料的制備成本較高，目前主要依賴化學(xué)氣相沉積技術(shù)，如何降低生產(chǎn)成本是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。據(jù)了解，該研究團(tuán)隊正致力于探索更低成本的異質(zhì)外延生長技術(shù)，例如在硅基片上生長金剛石膜，以實現(xiàn)大面積、低成本生產(chǎn)。

此外，金剛石MOSFET的制造工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化，包括摻雜控制、界面工程、柵氧化層制備等。目前，研究團(tuán)隊已經(jīng)成功在實驗室條件下驗證了反轉(zhuǎn)層通道MOSFET的性能，下一步是實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

隨著制造工藝的不斷優(yōu)化和成本的逐步降低，金剛石功率半導(dǎo)體有望在新能源汽車、航空航天、可再生能源和電網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。未來，隨著更多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的參與，金剛石MOSFET有望迎來產(chǎn)業(yè)化的突破，為全球功率半導(dǎo)體市場帶來革命性的變革。