西电张进成教授等在金刚石高压功率器件领域取得重要进展

摘要：近日，西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、张金风教授研究组在超宽禁带半导体金刚石功率器件方向取得重要进展。在国际知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上发表了题为“Integration of Oxidized Silicon

近日，西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、张金风教授研究组在超宽禁带半导体金刚石功率器件方向取得重要进展。在国际知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上发表了题为“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，西电为第一完成单位，团队博士后付裕为本文第一作者。该研究将硅终端和氢终端金刚石的优势相结合，提出采用硅/氢终端金刚石复合导电通道的增强型金刚石高压场效应管新结构，器件实现了高阈值电压（-8.6 V）和高击穿电压（-1376 V）的优异性能，为下一代高耐压、高效率电力电子系统提供了重要技术路径。

金刚石是超宽禁带半导体的典型代表，具有禁带宽度大（5.5 eV）、击穿场强高（13 MV/cm）、热导率高（22 W·cm-1·K-1）等优点，在高压、大功率、高温、极端环境电子器件及探测器应用中具有显著优势，也被誉为“终极半导体”材料，成为国内外争相布局的研究热点。金刚石在不同的表面终端条件下，表面的物理和电学性质会发生显著的变化，其中氢终端和硅终端金刚石都可形成表面p型电导（二维空穴气2DHG），分别具有载流子浓度高和介质膜/金刚石界面质量好等特点。经过多年的发展，基于二维空穴气表面沟道的耗尽型氢终端金刚石MOSFET器件性能取得了长足进步；通过对氢终端金刚石MOSFET的栅下沟道或栅介质进行特殊处理，器件也可实现增强型工作模式。然而，现有增强型金刚石场效应管的沟道性能不够理想，存在界面电荷调控难度大等问题，导致器件阈值电压绝对值较低，严重阻碍了高性能金刚石功率器件的发展。

近年来，硅终端金刚石技术受到高度关注：表面碳–硅键能够基本维持金刚石的sp3结构，界面质量优异；氧化后硅终端金刚石表面的电导率降低，有利于实现高阈值电压增强型器件。受此启发，研究团队创新性地将氢终端金刚石的高电导特性和硅终端金刚石的高界面质量特性优势相结合，提出将硅终端金刚石作为栅控沟道、将氢终端金刚石作为栅源通道区与栅漏漂移区的器件新结构，突破了增强型金刚石场效应管的低阈值电压和耐压瓶颈。器件工艺采用先制备高质量硅终端金刚石、再利用低损伤刻蚀和氢化工艺制备氢终端金刚石的技术方案，并且通过版图设计在同一衬底上制备了硅/氢复合终端，和单一氢终端金刚石器件作了对比。

图1 简化的器件制备工艺示意图

图2 器件和终端结构示意图

实验结果表明，氢终端金刚石结构的表面粗糙度仅为1.05 nm，保证了器件漂移区的载流子传输效率。此外，器件在宽达50 V的栅压摆幅范围内保持低于10⁻⁵ mA/mm的漏极电流与栅极泄漏电流，开关比超过10⁷，展现出优异的开关特性。最终，器件实现了高达-8.6 V的高阈值电压，并具备-1376 V的关态击穿电压，击穿场强达到1.2 MV/cm，指标优于国内外同类器件水平。这一结果是国际上硅终端沟道金刚石器件高压特性的第一次报道，其kV级击穿电压具有里程碑式意义，为该类器件在未来高压大功率系统中的应用奠定了基础。