日本團隊公布金剛石MOSFET研制取得最新進展

早稻田大學和 Power Diamonds Systems (PDS) 開發(fā)了一種結構，其中金剛石表面覆蓋有氧化硅終端（C-Si-O 終端），當柵極電壓為 0V 時，該結構會關閉晶體管。為此他們宣布開發(fā)出一種“常關”金剛石 MOSFET。

該成果由Hiroshi Kawarada教授、FU Yu、Norito Narita、Xiahua Zhu、早稻田大學兼職教授Atsushi Hiraiwa、PDS的Kosuke Ota、PDS聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Tatsuya Fujishima等人貢獻。詳細信息已于 12 月 13 日在半導體器件/工藝技術國際會議 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM 2023) 上公布。

MOSFET是一種MOS結構的場效應晶體管(FET)，具有高速、低導通電阻、高擊穿電壓的特點，特別適合作為電機驅(qū)動的開關元件，高速開關大電流等已經(jīng)完成。

關于被稱為終極功率半導體材料的金剛石半導體，世界各地都在進行使用氫端接（CH）結構的金剛石MOSFET的研究和開發(fā)，但由于2DHG，導致即使柵極電壓為0V晶體管也導通的“常開”操作，并且不可能實現(xiàn)晶體管截止的常關狀態(tài)當柵極電壓為0V時。

因此，如果將常開型器件應用于電力電子器件，當器件停止正常工作時，將無法安全地停止該器件，因此需要實現(xiàn)常關型操作。在此背景下，PDS和早稻田大學研究小組發(fā)現(xiàn)，由于高溫氧化，覆蓋金剛石表面的氫原子的C-H鍵轉(zhuǎn)變?yōu)镃O鍵，該表面成為電子缺陷，導致其性能惡化。該公司一直致力于通過改進這一點來實現(xiàn) FET 的穩(wěn)定運行。

在這項研究中，我們采用了一種器件結構，其中金剛石表面具有氧化硅（C-Si-O）鍵，而不是傳統(tǒng)的CO-Si鍵。結果，p溝道MOSFET的空穴遷移率為150cm 2 /V·s，高于SiC n溝道MOSFET的電子溝道遷移率，常關操作的信號閾值電壓為3~5V，這是傳統(tǒng)金剛石半導體無法實現(xiàn)的，據(jù)說是可以防止意外傳導（短路）的值。

此外，PDS對水平氧化硅端接金剛石MOSFET的最大漏極電流超過300 mA/mm，垂直氧化硅端接金剛石MOSFET的最大漏極電流超過200 mA/mm。據(jù)說這是該系列中常關金剛石 MOSFET 的最高值。

兩家公司均聲稱，通過用C-Si-O鍵覆蓋其表面，它們已成為比傳統(tǒng)CH表面更耐高溫和更耐氧化的穩(wěn)定器件，該公司認為其可用性使其適合大規(guī)模生產(chǎn)。為此，川原田教授認為，易于在社會上實現(xiàn)的金剛石功率半導體已經(jīng)實現(xiàn)，PDS將繼續(xù)加強金剛石MOSFET的研發(fā)，以期金剛石半導體的普及和實用化。他們的目標是開發(fā)一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的器件工藝，并以更簡單的結構實現(xiàn)更高的耐壓性。

審核編輯：劉清