基于异质外延金刚石衬底的功率电子器件

宽禁带半导体材料和器件在信息、能源、交通、国防等领域有着诸多应用，已成为当前世界各国高技术竞争的关键领域之一，也是我国的高技术和战略性新兴产业。如表1所示，与GaN、SiC、Ga₂O₃等半导体材料相比，金刚石具有大的禁带宽度(5.47 eV)、高的载流子迁移率[空穴(h)迁移率为3800 cm² V-1·s-1,电子(e)迁移率为4 500cm²·V-1·s-1]、高的热导率，非常适合制备大功率、高频电子器件。

表1 宽禁带半导体材料性质对比

金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)因其开关速度快、输入阻抗高、功耗低、易集成等特点，广泛应用于功率开关、电能转换以及逻辑运算等领域。金刚石凭借其出色的性质，有望制备超大功率、超高频的MOSFET,且因为其超高的热导率，可以大幅简化其散热系统，降低成本。

西安交通大学王宏兴团队在蓝宝石衬底上成功制备了尺寸为26 mm×26 mm×1 mm的异质外延金刚石衬底，其(004)面XRD摇摆曲线的半峰全宽为209.52 arcsec。所制备的场效应晶体管的最大源漏电流为-172 mA/mm。研究了在氮气氛围下，低温退火对器件性能的影响。同年，Kasu等利用化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)技术对异质外延金刚石衬底进行抛光来提高表面平整度和降低缺陷。在经过200 h的CMP处理后，金刚石表面粗糙度为0.04 nm, 氢终端表面方块电阻大小为3.55 kΩ/sq, 结果如图1(a)所示。实验中制备了以Al₂O₃为介质层的MOSFET,该器件最大漏极电流密度可达-0.68 A/mm(见图1(b)),最大有效迁移率为205 cm²/(V·s)(见图1(c)),比导通电阻为7.54 mΩ·cm²。器件在关态下的击穿电压达到-2568 V,其击穿电场达2.3 MV/cm, 该值接近GaN和SiC的理论临界电场。该器件的BFOM为874.6 MW·cm^-2,是现在见诸报道的最高值,证明了金刚石在电力电子器件领域的强大潜力。

  图1(a)不同CMP处理下的金/氢终端金刚石传输线模型参数；(b)MOSFET开态下的ID-VDS曲线；(c)有效迁移率；(d)关态下的|ID|-VDS曲线

Takeuchi团队在2 mm×2 mm×0.1 mm的(001)异质外延金刚石衬底上制备了金刚石准垂直p-i-n二极管。如图2所示，p-i-n二极管的电流-电压特性表现出良好的整流特性。增大正向电流导致缺陷发光的积分强度呈亚线性增加，而自由激子发光的积分强度呈超线性增加。这一显著的趋势与在传统的HTHP合成金刚石衬底上用同质外延生长薄膜制备的p-i-n二极管所观察到的趋势相同。预示着异质外延金刚石衬底在未来金刚石基电子器件中的潜力。

  图2 (a)MOSFET横截面结构示意图；(b)调制掺杂的MOSFET有效迁移率随载流子浓度的变化

凯发k8国际采用MPCVD法制备高质量金刚石晶圆衬底，并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，金刚石晶圆衬底表面粗糙度＜1nm，热导率达到1000-2200W/（m·K）。此外，核心产品有多晶金刚石（晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石和氮化镓异质集成）、单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）和氮化铝薄膜（金刚石基氮化铝、硅基氮化铝和蓝宝石基氮化铝）等，为广大客户给予专业的金刚石相关专业服务。