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近日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士團隊再次傳來重磅消息！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)表于國際頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》。這一成果不僅標(biāo)志著我國在金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)實力邁上新臺階，更為未來高壓、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）、極高的擊穿場強（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)出無可比擬的優(yōu)勢。
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。這些問題嚴(yán)重制約了金剛石在高性能電力電子系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。
01、突破性創(chuàng)新：硅/氫終端復(fù)合結(jié)構(gòu)
張金風(fēng)教授研究團隊創(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，成功實現(xiàn)了增強型金剛石高壓場效應(yīng)管的突破。
器件和終端結(jié)構(gòu)示意圖
具體來說，研究團隊通過以下技術(shù)路徑實現(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：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級擊穿電壓
實驗結(jié)果顯示，該新型金剛石功率器件實現(xiàn)了-8.6 V的高閾值電壓和-1376 V的關(guān)態(tài)擊穿電壓，擊穿場強達(dá)到1.2 MV/cm，性能指標(biāo)遠(yuǎn)超國內(nèi)外同類器件水平。這一成果不僅是國際上首次報道硅終端溝道金剛石器件的高壓特性，更為未來高壓大功率系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了堅實基礎(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，開關(guān)比超過107，展現(xiàn)出優(yōu)異的開關(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)計結(jié)果
03、未來展望：金剛石功率器件的應(yīng)用前景
隨著新能源汽車、5G通信、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高性能半導(dǎo)體器件的需求日益增長。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：如電動汽車的電機驅(qū)動系統(tǒng)，提升能源利用效率。
西安電子科技大學(xué)郝躍院士團隊的這一突破性成果，不僅彰顯了我國在超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)實力，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，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)將迎來革命性變革，推動人類社會向更高效、更綠色的能源利用方式邁進(jìn)！
參考來源：
陜西陽光報社，磨料磨具
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
陜西兩高?？蒲型黄疲呵嗖A第三代半導(dǎo)體的未來
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10836805
豫公網(wǎng)安備41019702003646號