日本團隊開發(fā)出一種“常關(guān)”鉆石 MOSFET

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

該成果由Hiroshi Kawarada教授、FU Yu、Norito Narita、Xiahua Zhu、早稻田大學(xué)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(dǎo)體器件/工藝技術(shù)國際會議 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM 2023) 上公布。

MOSFET是一種MOS結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管(FET)，具有高速、低導(dǎo)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(guān)元件，高速開關(guān)大電流等已經(jīng)完成。

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

因此，如果將常開型器件應(yīng)用于電力電子器件，當(dāng)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(guān)型操作。在此背景下，PDS和早稻田大學(xué)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(guān)操作的信號閾值電壓為3 ?5V，這是傳統(tǒng)金剛石半導(dǎo)體無法實現(xiàn)的，據(jù)說是可以防止意外傳導(dǎo)（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(guān)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(dǎo)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(dǎo)體的普及和實用化。他們的目標(biāo)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的耐壓性。

審核編輯：黃飛

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