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西電張進成教授等在金剛石高壓功率器件領(lǐng)域取得重要進展

研發(fā)快訊 2025年03月17日 13:15:39來源:西安電子科技大學(xué) 799
摘要近年來,硅終端金剛石技術(shù)受到高度關(guān)注:表面碳–硅鍵能夠基本維持金剛石的sp3結(jié)構(gòu),界面質(zhì)量優(yōu)異;氧化后硅終端金剛石表面的電導(dǎo)率降低,有利于實現(xiàn)高閾值電壓增強型器件。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日,西安電子科技大學(xué)郝躍院士團隊張進成教授、張金風(fēng)教授研究組在超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石功率器件方向取得重要進展。在國際知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上發(fā)表了題為“Integration of Oxidized Silicon- and Hydrogen-terminated Diamond p-channels for Normally-off High-voltage Diamond Power Devices”的最新研究成果,西電為第一完成單位,團隊博士后付裕為本文第一作者。該研究將硅終端和氫終端金剛石的優(yōu)勢相結(jié)合,提出采用硅/氫終端金剛石復(fù)合導(dǎo)電通道的增強型金剛石高壓場效應(yīng)管新結(jié)構(gòu),器件實現(xiàn)了高閾值電壓(-8.6 V)和高擊穿電壓(-1376 V)的優(yōu)異性能,為下一代高耐壓、高效率電力電子系統(tǒng)提供了重要技術(shù)路徑。
 
  金剛石是超寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表,具有禁帶寬度大(5.5 eV)、擊穿場強高(13 MV/cm)、熱導(dǎo)率高(22 W·cm-1·K-1)等優(yōu)點,在高壓、大功率、高溫、極端環(huán)境電子器件及探測器應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢,也被譽為“終極半導(dǎo)體”材料,成為國內(nèi)外爭相布局的研究熱點。金剛石在不同的表面終端條件下,表面的物理和電學(xué)性質(zhì)會發(fā)生顯著的變化,其中氫終端和硅終端金剛石都可形成表面p型電導(dǎo)(二維空穴氣2DHG),分別具有載流子濃度高和介質(zhì)膜/金剛石界面質(zhì)量好等特點。經(jīng)過多年的發(fā)展,基于二維空穴氣表面溝道的耗盡型氫終端金剛石MOSFET器件性能取得了長足進步;通過對氫終端金剛石MOSFET的柵下溝道或柵介質(zhì)進行特殊處理,器件也可實現(xiàn)增強型工作模式。然而,現(xiàn)有增強型金剛石場效應(yīng)管的溝道性能不夠理想,存在界面電荷調(diào)控難度大等問題,導(dǎo)致器件閾值電壓絕對值較低,嚴重阻礙了高性能金剛石功率器件的發(fā)展。
 
  近年來,硅終端金剛石技術(shù)受到高度關(guān)注:表面碳–硅鍵能夠基本維持金剛石的sp3結(jié)構(gòu),界面質(zhì)量優(yōu)異;氧化后硅終端金剛石表面的電導(dǎo)率降低,有利于實現(xiàn)高閾值電壓增強型器件。受此啟發(fā),研究團隊創(chuàng)新性地將氫終端金剛石的高電導(dǎo)特性和硅終端金剛石的高界面質(zhì)量特性優(yōu)勢相結(jié)合,提出將硅終端金剛石作為柵控溝道、將氫終端金剛石作為柵源通道區(qū)與柵漏漂移區(qū)的器件新結(jié)構(gòu),突破了增強型金剛石場效應(yīng)管的低閾值電壓和耐壓瓶頸。器件工藝采用先制備高質(zhì)量硅終端金剛石、再利用低損傷刻蝕和氫化工藝制備氫終端金剛石的技術(shù)方案,并且通過版圖設(shè)計在同一襯底上制備了硅/氫復(fù)合終端,和單一氫終端金剛石器件作了對比。
 
圖1 簡化的器件制備工藝示意圖
 
圖2 器件和終端結(jié)構(gòu)示意圖
 
  實驗結(jié)果表明,氫終端金剛石結(jié)構(gòu)的表面粗糙度僅為1.05 nm,保證了器件漂移區(qū)的載流子傳輸效率。此外,器件在寬達50 V的柵壓擺幅范圍內(nèi)保持低于10 mA/mm的漏極電流與柵極泄漏電流,開關(guān)比超過10 ,展現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)特性。最終,器件實現(xiàn)了高達-8.6 V的高閾值電壓,并具備-1376 V的關(guān)態(tài)擊穿電壓,擊穿場強達到1.2 MV/cm,指標優(yōu)于國內(nèi)外同類器件水平。這一結(jié)果是國際上硅終端溝道金剛石器件高壓特性的第一次報道,其kV級擊穿電壓具有里程碑式意義,為該類器件在未來高壓大功率系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 
圖3 器件漂移區(qū)氫終端金剛石表面AFM測試結(jié)果以及器件輸出特性結(jié)果
 
圖4 器件轉(zhuǎn)移特性結(jié)果
 
圖5 器件擊穿特性和閾值電壓統(tǒng)計結(jié)果
 
  該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體/杰青/重點項目、中國博士后基金項目等的資助。

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