近日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)再次傳來(lái)重磅消息！張進(jìn)成教授、張金風(fēng)教授研究組在超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石功率器件領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《IEEE Electron Device Letters》。這一成果不僅標(biāo)志著我國(guó)在金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力邁上新臺(tái)階，更為未來(lái)高壓、高效率電力電子系統(tǒng)的發(fā)展提供了全新的技術(shù)路徑。
       金剛石被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”材料，因其超寬的禁帶寬度（5.5 eV）、極高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（13 MV/cm）和優(yōu)異的熱導(dǎo)率（22 W/cm·K），在高壓、大功率、高溫及極端環(huán)境下的電子器件應(yīng)用中展現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
       然而，金剛石功率器件的研發(fā)一直面臨兩大難題：低閾值電壓和耐壓瓶頸。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了金剛石在高性能電力電子系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。
       01、突破性創(chuàng)新：硅/氫終端復(fù)合結(jié)構(gòu)

       張金風(fēng)教授研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種硅/氫終端金剛石復(fù)合導(dǎo)電通道的新型器件結(jié)構(gòu)。這一設(shè)計(jì)巧妙結(jié)合了硅終端金剛石的高界面質(zhì)量和氫終端金剛石的高電導(dǎo)特性，成功實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型金剛石高壓場(chǎng)效應(yīng)管的突破。

器件和終端結(jié)構(gòu)示意圖

       具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)以下技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)了這一突破：

       1.高質(zhì)量硅終端金剛石制備：利用硅終端金剛石的優(yōu)異界面質(zhì)量，確保器件的高閾值電壓。

       2.氫終端金剛石的低損傷刻蝕與氫化工藝：在柵源通道區(qū)與柵漏漂移區(qū)引入氫終端金剛石，提升載流子傳輸效率。

       3.復(fù)合終端設(shè)計(jì)：在同一襯底上集成硅終端和氫終端金剛石，優(yōu)化器件性能。
       02性能卓越：高閾值電壓與kV級(jí)擊穿電壓
       實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該新型金剛石功率器件實(shí)現(xiàn)了-8.6 V的高閾值電壓和-1376 V的關(guān)態(tài)擊穿電壓，擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到1.2 MV/cm，性能指標(biāo)遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)外同類器件水平。這一成果不僅是國(guó)際上首次報(bào)道硅終端溝道金剛石器件的高壓特性，更為未來(lái)高壓大功率系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。           

       此外，器件在寬達(dá)50 V的柵壓擺幅范圍內(nèi)，漏極電流與柵極泄漏電流均低于10-5mA/mm，開(kāi)關(guān)比超過(guò)107，展現(xiàn)出優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性。這些性能指標(biāo)表明，該器件在高效電力電子系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。  

         器件漂移區(qū)氫終端金剛石表面AFM測(cè)試結(jié)果以及器件輸出特性結(jié)果

器件擊穿特性和閾值電壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果

       03、未來(lái)展望：金剛石功率器件的應(yīng)用前景

      隨著新能源汽車(chē)、5G通信、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能半導(dǎo)體器件的需求日益增長(zhǎng)。金剛石功率器件憑借其卓越的性能，有望在以下領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：高壓電力電子系統(tǒng)：如智能電網(wǎng)、高鐵牽引系統(tǒng)等；極端環(huán)境應(yīng)用：如航空航天、核能等領(lǐng)域的高溫、高輻射環(huán)境；高效能源轉(zhuǎn)換：如電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提升能源利用效率。
       西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)的這一突破性成果，不僅彰顯了我國(guó)在超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，更為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。未來(lái)，隨著金剛石功率器件的進(jìn)一步優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化，電力電子系統(tǒng)將迎來(lái)革命性變革，推動(dòng)人類社會(huì)向更高效、更綠色的能源利用方式邁進(jìn)！
       參考來(lái)源：

1. 陜西陽(yáng)光報(bào)社，磨料磨具

2. 寬禁帶科技論：西電張進(jìn)成教授等在金剛石高壓功率器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展  

3. 陜西兩高校科研突破：青睞第三代半導(dǎo)體的未來(lái)

4. 論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10836805