日本团队开发出一种“常关”钻石 MOSFET

早稻田大学和 Power Diamonds Systems (PDS) 开发了一种结构，其中金刚石表面覆盖有氧化硅终端（C-Si-O 终端），当栅极电压为 0V 时，该结构会关闭晶体管。为此他们宣布开发出一种“常关”钻石 MOSFET。

该成果由Hiroshi Kawarada教授、FU Yu、Norito Narita、Xiahua Zhu、早稻田大学兼职教授Atsushi Hiraiwa、PDS的Kosuke Ota、PDS联合创始人兼首席执行官Tatsuya Fujishima等人贡献。详细信息已于 12 月 13 日在半导体器件/工艺技术国际会议 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM 2023) 上公布。

MOSFET是一种MOS结构的场效应晶体管(FET)，具有高速、低导通电阻、高击穿电压的特点，特别适合作为电机驱动的开关元件，高速开关大电流等已经完成。

关于被称为终极功率半导体材料的金刚石半导体，世界各地都在进行使用氢端接（CH）结构的金刚石MOSFET的研究和开发，但由于2DHG，导致即使栅极电压为0V晶体管也导通的“常开”操作，并且不可能实现晶体管截止的常关状态当栅极电压为0V时。

因此，如果将常开型器件应用于电力电子器件，当器件停止正常工作时，将无法安全地停止该器件，因此需要实现常关型操作。在此背景下，PDS和早稻田大学研究小组发现，由于高温氧化，覆盖金刚石表面的氢原子的C-H键转变为CO键，该表面成为电子缺陷，导致其性能恶化。该公司一直致力于通过改进这一点来实现 FET 的稳定运行。

在这项研究中，我们采用了一种器件结构，其中金刚石表面具有氧化硅（C-Si-O）键，而不是传统的CO-Si键。结果，p沟道MOSFET的空穴迁移率为150cm 2 /V·s，高于SiC n沟道MOSFET的电子沟道迁移率，常关操作的信号阈值电压为3 〜5V，这是传统金刚石半导体无法实现的，据说是可以防止意外传导（短路）的值。

此外，PDS对水平氧化硅端接金刚石MOSFET的最大漏极电流超过300 mA/mm，垂直氧化硅端接金刚石MOSFET的最大漏极电流超过200 mA/mm。据说这是该系列中常关金刚石 MOSFET 的最高值。

两家公司均声称，通过用C-Si-O键覆盖其表面，它们已成为比传统CH表面更耐高温和更耐氧化的稳定器件，该公司认为其可用性使其适合大规模生产。为此，川原田教授认为，易于在社会上实现的金刚石功率半导体已经实现，PDS将继续加强金刚石MOSFET的研发，以期金刚石半导体的普及和实用化。他们的目标是开发一种适合大规模生产的器件工艺，并以更简单的结构实现更高的耐压性。

审核编辑：黄飞