郑州大学发布：金刚石MOSFET研究新成果

随着第三代、第四代半导体技术的发展，金刚石因其超宽禁带、高热导率、高击穿场强以及优异载流子迁移率，被认为是下一代高功率、高频电子器件的重要候选材料。尤其是在高温、高压和高功率密度应用场景中，金刚石器件展现出明显潜力。

相比传统硅基器件，氢终端金刚石（H-diamond）器件能够利用表面二维空穴气形成导电沟道，从而绕开金刚石掺杂激活能高的问题，因此近年来受到广泛关注。

近期，来自郑州大学单崇新研究团队在期刊 Diamond & Related Materials 上发表论文“Abnormal transfer curve drift in hydrogen-terminated diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors”，围绕氢终端金刚石MOSFET中的陷阱效应展开研究。研究聚焦于器件测试过程中出现的一种“异常转移曲线漂移”现象，并尝试从缺陷与载流子俘获机制角度解释其来源。

文章指出，目前氢终端金刚石场效应晶体管已经实现了较高性能指标，包括安培级电流密度、GHz射频功率输出以及超过2000 V的击穿电压。然而，载流子陷阱带来的动态性能退化，依然是限制器件进一步实用化的重要问题。此前研究更多关注Al₂O₃/金刚石界面态，但对于整个MOS结构中的陷阱响应机制仍缺乏系统分析。

在这项工作中，研究人员制备了基于单晶金刚石衬底的H-diamond MOSFET器件。器件采用Al₂O₃作为栅介质层，并通过原子层沉积（ALD）完成制备。测试过程中，研究团队发现：在短时间间隔连续扫描时，器件转移曲线会出现明显漂移，而在较长时间间隔测试条件下，则能够恢复正常状态。这说明器件行为不仅与偏压条件有关，还与时间相关。

论文结论明确指出，观察到的异常转移曲线漂移主要源于栅介质中的缺陷对空穴的俘获。该工作通过C-V、脉冲I-V和瞬态电流方法的综合运用，系统阐释了H-diamond MOSFET中的俘获效应机制，并首次给出了器件中主要陷阱的时间常数和空间分布信息。

这一研究为理解和优化H-diamond MOSFET的动态特性提供了重要参考。通过降低栅介质/金刚石界面缺陷密度或消除表面吸附物，有望缓解滞回和漂移现象，提升器件的可靠性和驱动能力。鉴于H-diamond器件在高功率、高频和极端环境电子学领域的战略潜力，本文成果有助于推动其从实验室研究向实际应用的转化，为金刚石功率电子学的发展贡献了基础数据和分析框架。

图文导读

图1. (a) H-金刚石MOSFET的示意图。(b) 所制备器件的典型输出特性。所制备器件在(c) 异常状态和 (d) 正常状态下的传输特性。

图2. (a) 在10 kHz至1 MHz的不同频率下测得的H-金刚石MOS电容器的C–V特性。 (b) 1 MHz下H-金刚石MOS电容器的C–V滞后特性。