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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

再生长层厚度和氮浓度对垂直金刚石MOSFET低漏极电压下电流失效影响

Effects of Regrown Layer Thickness and Nitrogen Concentration on Current Rise at Low Drain Voltage in Vertical Diamond MOSFET

作者 Kosuke Ota · Koji Amazutsumi · Runming Zhang · Yuta Nameki · Naoya Niikura · Jun Tsunoda
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年9月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 垂直金刚石MOSFET 再生长层 漏极电流上升 器件模拟 性能改进
语言:

中文摘要

由于具有优异的物理特性,金刚石是一种很有前景的功率器件材料,而垂直 p 沟道场效应晶体管(FET)对于实现下一代互补逆变器至关重要。在本研究中,我们利用氢终端金刚石表面诱导的二维空穴气(2DHG)制造了一个(001)垂直金刚石 MOSFET。该器件采用了一种沟槽结构,其在硼掺杂金刚石(p +)衬底中的过刻蚀深度为 1.5 微米。然而,在低电压区域(−4 V ≤ VDS ≤ 0 V)观察到漏极电流上升受到抑制。为了探究其原因,我们对沟槽型横向器件进行了测量,在这类器件中电流不经过再生长层,且在低电压区域迅速增加。这些结果表明,沟槽底部的再生长层是抑制漏极电流上升的主要因素。在固定沟槽过刻蚀深度为 1.5 微米的情况下,我们改变再生长层的厚度和氮浓度进行了器件模拟。结果显示,增加任一参数都会提高空穴穿透再生长层的势垒,从而抑制电流上升。降低氮浓度并减薄再生长层可以改善电流上升情况。这些发现为提高垂直金刚石 FET 的性能提供了有价值的见解,并有助于其在未来互补功率逆变器中的应用。

English Abstract

Diamond is a promising material for power devices due to its excellent physical properties, and vertical p-channel field effect transistors (FETs) are important for realizing next-generation complementary inverters. In this study, we fabricated a (001) vertical diamond MOSFET using a 2-D hole gas (2DHG) induced by hydrogen-terminated diamond surfaces. The device incorporated a trench structure with a 1.5~ m over-etch depth into the boron-doped diamond (p+) substrate. However, a suppressed drain current rise was observed in the low-voltage region (−4 V V_ DS~ 0 V). To investigate the cause, we measured trench-type lateral devices in which the current does not pass through the regrown layer and increases rapidly in the low-voltage region. These results indicate that the regrown layer at the bottom of the trench is the dominant factor suppressing the drain current rise. Device simulations were performed with a fixed trench over-etch depth of 1.5~ m while varying the thickness and nitrogen concentration of the regrown layer. The results showed that increasing either parameter raises the potential barrier for holes to penetrate the regrown layer, thereby suppressing the current rise. Reducing the nitrogen concentration and thinning the regrown layer improved the current rise. These findings offer valuable insights into improving the performance of vertical diamond FETs and support their application in future complementary power inverters.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项金刚石垂直MOSFET技术研究代表了功率半导体器件领域的前沿探索,对我们的光伏逆变器和储能系统具有长远战略意义。

金刚石作为第四代半导体材料,其优异的物理特性——极高的击穿电场强度、热导率和载流子迁移率——使其在高功率密度应用中具有革命性潜力。该研究通过氢终端表面诱导二维空穴气体实现的垂直p沟道器件,为构建互补型逆变器提供了技术路径。这对阳光电源当前基于硅基IGBT和碳化硅MOSFET的功率变换架构而言,可能带来数量级的性能提升:更高的开关频率可显著减小磁性元件体积,更低的导通损耗能提升系统效率,而卓越的耐高温特性可简化散热设计,最终实现逆变器和储能变流器的功率密度突破。

然而,该技术目前仍处于基础研究阶段,面临明显的工程化挑战。论文揭示的低压区电流上升抑制问题,根源于沟槽底部再生长层的厚度和氮浓度控制,这反映出金刚石外延生长工艺的复杂性。对于阳光电源而言,短期内(5-10年)该技术难以进入产品化阶段,但其展现的技术方向值得战略关注。

建议采取"跟踪观察+预研布局"策略:与国内外金刚石半导体研究机构建立技术交流,关注材料制备、器件结构优化和可靠性验证等关键进展;同时在内部功率电子预研团队中开展应用场景分析,为未来技术成熟时的快速导入做好准备。这种超宽禁带器件技术一旦突破,将重新定义新能源电力电子装备的竞争格局。