【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(tuán)隊(duì)張進(jìn)成教授、張金風(fēng)教授研究組在超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石功率器件方向取得重要進(jìn)展。在國(guó)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(tuán)隊(duì)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(shì)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(qiáng)型金剛石高壓場(chǎng)效應(yīng)管新結(jié)構(gòu)，器件實(shí)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(chǎng)強(qiáng)高(13 MV/cm)、熱導(dǎo)率高(22 W·cm-1·K-1)等優(yōu)點(diǎn)，在高壓、大功率、高溫、極端環(huán)境電子器件及探測(cè)器應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，也被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”材料，成為國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相布局的研究熱點(diǎn)。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(huì)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(diǎn)。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(zhǎng)足進(jìn)步；通過對(duì)氫終端金剛石MOSFET的柵下溝道或柵介質(zhì)進(jìn)行特殊處理，器件也可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型工作模式。然而，現(xiàn)有增強(qiáng)型金剛石場(chǎng)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(duì)值較低，嚴(yán)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?jī)?yōu)異；氧化后硅終端金剛石表面的電導(dǎo)率降低，有利于實(shí)現(xiàn)高閾值電壓增強(qiáng)型器件。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)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(shì)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(qiáng)型金剛石場(chǎng)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(jì)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(duì)比。
 

圖1 簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)-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(chǎng)強(qiáng)達(dá)到1.2 MV/cm，指標(biāo)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類器件水平。這一結(jié)果是國(guó)際上硅終端溝道金剛石器件高壓特性的第一次報(bào)道，其kV級(jí)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(cè)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(jì)結(jié)果
 

　　該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體/杰青/重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金項(xiàng)目等的資助。