提高12.5倍！金剛石半導體又有突破性進展！

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

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，金剛石的熱導率高達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，電子散射嚴重，導致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，日本金澤大學的研究團隊聯(lián)合德國金剛石與碳應用技術中心合作，在該領域取得突破性進展——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。

研究團隊通過優(yōu)化金屬氧化膜與金剛石半導體層的界面，使其達到原子級平坦，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，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*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的開關性能更優(yōu)，有助于在高頻、高功率應用中實現(xiàn)更高的效率。

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

北京科技大學劉金龍副研究員與早稻田大學合作，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，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的實際應用提供了新的思路。

河北省半導體研究所的馮志紅團隊在單晶金剛石(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。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用潛力。

西安電子科技大學張金風教授團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器件的性能紀錄，進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體的商業(yè)化應用具有重大意義。

在電動汽車與新能源領域，目前的EV動力系統(tǒng)廣泛采用SiCMOSFET，金剛石MOSFET的引入可進一步降低能耗，提高續(xù)航里程。在充電基礎設施中，金剛石功率半導體可顯著提升充電效率。

在航空航天領域，航空航天器需要耐高溫、高輻射環(huán)境的半導體材料，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，目前主要依賴化學氣相沉積技術，如何降低生產(chǎn)成本是產(chǎn)業(yè)化的關鍵。據(jù)了解，該研究團隊正致力于探索更低成本的異質(zhì)外延生長技術，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，金剛石功率半導體有望在新能源汽車、航空航天、可再生能源和電網(wǎng)等領域發(fā)揮重要作用。未來，隨著更多企業(yè)和研究機構(gòu)的參與，金剛石MOSFET有望迎來產(chǎn)業(yè)化的突破，為全球功率半導體市場帶來革命性的變革。