近日，西安電子科技大學郝躍院士團隊再次傳來重磅消息！張進成教授、張金風教授研究組在超寬禁帶半導體金剛石功率器件領域取得突破性進展，相關研究成果發表于國際頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》。這一成果不僅標志著我國在金剛石半導體領域的技術實力邁上新臺階，更為未來高壓、高效率電力電子系統的發展提供了全新的技術路徑。
       金剛石被譽為“終極半導體”材料，因其超寬的禁帶寬度（5.5 eV）、極高的擊穿場強（13 MV/cm）和優異的熱導率（22 W/cm·K），在高壓、大功率、高溫及極端環境下的電子器件應用中展現出無可比擬的優勢。
       然而，金剛石功率器件的研發一直面臨兩大難題：低閾值電壓和耐壓瓶頸。這些問題嚴重制約了金剛石在高性能電力電子系統中的實際應用。
       01、突破性創新：硅/氫終端復合結構

       張金風教授研究團隊創新性地提出了一種硅/氫終端金剛石復合導電通道的新型器件結構。這一設計巧妙結合了硅終端金剛石的高界面質量和氫終端金剛石的高電導特性，成功實現了增強型金剛石高壓場效應管的突破。

器件和終端結構示意圖

       具體來說，研究團隊通過以下技術路徑實現了這一突破：

       1.高質量硅終端金剛石制備：利用硅終端金剛石的優異界面質量，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：在柵源通道區與柵漏漂移區引入氫終端金剛石，提升載流子傳輸效率。

       3.復合終端設計：在同一襯底上集成硅終端和氫終端金剛石，優化器件性能。
       02性能卓越：高閾值電壓與kV級擊穿電壓
       實驗結果顯示，該新型金剛石功率器件實現了-8.6 V的高閾值電壓和-1376 V的關態擊穿電壓，擊穿場強達到1.2 MV/cm，性能指標遠超國內外同類器件水平。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的應用奠定了堅實基礎。           

       此外，器件在寬達50 V的柵壓擺幅范圍內，漏極電流與柵極泄漏電流均低于10-5mA/mm，開關比超過107，展現出優異的開關特性。這些性能指標表明，該器件在高效電力電子系統中具有巨大的應用潛力。  

         器件漂移區氫終端金剛石表面AFM測試結果以及器件輸出特性結果

器件擊穿特性和閾值電壓統計結果

       03、未來展望：金剛石功率器件的應用前景

      隨著新能源汽車、5G通信、人工智能等領域的快速發展，對高性能半導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，有望在以下領域發揮重要作用：高壓電力電子系統：如智能電網、高鐵牽引系統等；極端環境應用：如航空航天、核能等領域的高溫、高輻射環境；高效能源轉換：如電動汽車的電機驅動系統，提升能源利用效率。
       西安電子科技大學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體領域的技術實力，更為全球半導體產業的發展注入了新的活力。未來，隨著金剛石功率器件的進一步優化與產業化，電力電子系統將迎來革命性變革，推動人類社會向更高效、更綠色的能源利用方式邁進！
       參考來源：

1. 陜西陽光報社，磨料磨具

2. 寬禁帶科技論：西電張進成教授等在金剛石高壓功率器件領域取得重要進展  

3. 陜西兩高校科研突破：青睞第三代半導體的未來

4. 論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10836805