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电动汽车驱动 ★ 4.0

氧化硅与氢终端金刚石p沟道的集成用于常关型高压金刚石功率器件

Integration of Oxidized Silicon- and Hydrogen- Terminated Diamond p-Channels for Normally-Off High-Voltage Diamond Power Devices

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.10836805
作者
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 金刚石MOSFET C-H C-Si–O 耐压能力 常关特性
语言:

中文摘要

表面附近具有致密二维空穴气（2DHG）p 型导电层的氢终端（C - H）金刚石金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）呈现出典型的常开工作特性和高击穿电压（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {BR}}$ </tex - math></inline - formula>）。由于具有高质量的 MOS 界面，氧化硅终端（C - Si–O）金刚石 MOSFET 具备出色的常关特性，例如高阈值电压（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}}$ </tex - math></inline - formula>）。然而，已报道的 C - Si–O 金刚石 MOSFET 均采用重叠栅结构，因此无法承受高电压。在这项工作中，我们展示了一种具有部分 C - Si–O 沟道的新型 C - H 金刚石 MOSFET 结构，以提高常关型 C - Si–O 金刚石 MOSFET 的耐压能力。通过先形成完整的 C - Si–O 沟道，然后使用 SiO₂ 掩模选择性地将 C - Si–O 沟道替换为 C - H 沟道，实现了 C - H/C - Si–O/C - H 沟道结构。结果表明，对于所制备的 C - Si–O 沟道长度为<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$2~\mu $ </tex - math></inline - formula>m 且栅漏间距（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${L}_{\text {GD}}$ </tex - math></inline - formula>）为<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$11~\mu $ </tex - math></inline - formula>m 的器件，获得了<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {TH}} = - 8.6$ </tex - math></inline - formula> V 的阈值电压和<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {BR}} = - 1376$ </tex - math></inline - formula> V 的关态击穿电压。这些颇具竞争力的结果表明，所提出的器件结构有望推动常关型 C - Si–O 金刚石 MOSFET 应用于高压领域。

English Abstract

With a dense two-dimensional hole gas (2DHG) p-type conductive layer near the surface, hydrogen- terminated (C-H) diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) have shown typical normally-on operations and high breakdown voltages ( V_ BR ). Owing to the high MOS interface quality, the oxidized silicon-terminated (C-Si–O) diamond MOSFETs have featured excellent normally-off characteristics, such as high threshold voltage ( V_ TH ). However, the reported C-Si–O diamond MOSFETs were all exhibited an overlapping-gate structure, and therefore couldn’t withstand high voltages. In this work, we demonstrated a novel C-H diamond MOSFET structure with a partial C-Si–O channel to improve the voltage withstand capability of normally-off C-Si–O diamond MOSFETs. The C-H/C-Si–O/C-H channel structure was achieved by forming an entire C-Si–O channel first, and then selectively replacing the C-Si–O channel to the C-H channel by using a SiO2 mask. As a result, for the fabricated device with a C-Si–O channel length of 2~ m and a gate-to-drain distance ( L_ GD ) of 11~ m, V_ TH = -8.6 V and OFF-state V_ BR = -1376 V have been obtained. These competitive results reveal that the proposed device structure is promising in pushing the normally-off C-Si–O diamond MOSFETs into the high voltage applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项金刚石功率器件技术代表了超宽禁带半导体在高压电力电子领域的重要突破，与公司在光伏逆变器、储能变流器等核心产品的技术演进方向高度契合。

该研究通过创新的C-H/C-Si-O/C-H混合沟道结构，成功解决了金刚石MOSFET常关型器件耐压能力不足的关键瓶颈。实现-8.6V阈值电压和-1376V击穿电压的组合性能，为开发1500V甚至更高电压等级的功率开关器件提供了新路径。对于阳光电源而言，这意味着在大功率组串式逆变器和集中式逆变器中，有望采用更少的功率器件串联，简化拓扑结构，降低系统复杂度。

金刚石材料的超高热导率（约2000 W/m·K）和宽禁带特性（5.5 eV）带来的低导通损耗和高温工作能力，可显著提升逆变器和储能PCS的功率密度与效率。这对公司推进液冷乃至风冷高功率密度产品具有战略意义，特别是在工商业储能和大型地面电站应用场景中，系统级LCOE的降低空间值得期待。

然而，技术成熟度仍是主要挑战。当前研究处于器件验证阶段，距离量产需要突破金刚石晶圆制备成本、选择性表面终端处理的工艺稳定性以及封装热管理等工程化难题。建议阳光电源保持技术跟踪，在现有SiC/GaN技术路线基础上，前瞻性布局与科研机构的联合开发，特别关注10kV以上超高压应用场景，为未来5-10年的技术代际跃升做好储备。这种常关型高压金刚石器件若能实现商业化，将为新能源电力电子系统的安全性和可靠性树立新标杆。