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。