中电科十三所：金刚石功率器件新进展

金刚石作为超宽禁带半导体，具有击穿电场极高、载流子迁移率高、极高热导率等“天花板级”材料特性，被业界公认为高功率、高频电子器件的“终极材料”。

然而，传统体掺杂难以实现有效n型或p型导电，氢端金刚石表面转移掺杂技术成为主流路径。过去的研究多集中在常开型（耗尽型）器件上，而常关型（增强型）器件因其“零栅压时关断”的安全特性，在功率电路、射频放大器、高压RF开关等领域更具实际应用价值。

近日，河北半导体研究所（中国电子科技集团公司第十三研究所）冯志红、蔚翠团队在《Diamond & Related Materials》发表论文 The DC and RF performance evaluation of normally-off diamond field-effect transistors with SiO₂/Al₂O₃ dielectric layers 。该工作围绕常关型金刚石MOSFET展开，系统评估了其直流与射频性能，尤其首次对其大信号射频功率特性进行了验证，为金刚石功率器件走向实用化提供了重要参考。

核心创新与器件结构

研究团队在(100)单晶CVD金刚石衬底上制备器件，通过UV臭氧处理在氢端表面形成部分氧端高阻沟道，实现稳定的常关特性。器件采用240 nm厚SiO₂/Al₂O₃介质层和重叠栅结构，确保对整个沟道的有效静电控制，同时提升电压耐受能力。测试器件栅宽2×100 μm，源漏间距（栅长）分别为3 μm、4 μm和6 μm。

本研究的核心在于通过表面调控与器件结构设计，实现常关型特性与功率性能的兼顾。作者在氢终止金刚石表面引入氧相关处理，使原本导电的表面沟道转变为高阻状态，从而有效抑制零栅压下的导电行为，实现器件“关断”。

在此基础上，器件采用SiO₂/Al₂O₃双层栅介质结构，并引入重叠栅设计，以增强对沟道的静电控制能力。这种结构一方面有助于稳定阈值电压，另一方面也提升了器件在导通状态下的电流能力。

论文研究工作对大信号射频性能的系统评估。作者在1 GHz条件下对器件进行负载牵引测试，结果显示，器件输出功率密度可达2.2 W/mm，功率附加效率达到16.2%，并具备一定的线性增益。这一结果表明，尽管器件仍采用微米级栅长且存在一定寄生效应，其功率输出能力已可与部分先进金刚石MOSFET甚至传统结构器件相当。从机理上看，较高的电流密度与较低导通电阻是实现高功率输出的关键，而厚栅介质结构在一定程度上保障了器件在高电压下的稳定工作。

不过，该结构也带来一定限制。例如，重叠栅区域在高场下容易引入漏电与击穿风险，从而限制器件的工作电压范围；同时，界面散射效应仍影响载流子迁移率，制约性能进一步提升。因此，论文也指出，未来优化方向包括缩短栅长、降低寄生电容、改善金刚石/介质界面质量，以及通过重掺杂或再生长技术降低接触电阻等。

总体而言，本文成功研制出高电流密度、阈值稳定具备2.2 W/mm功率密度的常关型金刚石MOSFET，首次证明厚介质重叠栅结构在常关型功率器件中的可行性，为金刚石器件走向实际RF功率应用奠定了基础。尽管与GaN、SiC等成熟体系相比仍有差距，但随着界面工程、器件结构以及工艺水平的持续进步，金刚石在高功率、高频电子领域的潜力正逐步显现。

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