金刚石MOSFET再获突破：首次实现沟槽型反型沟道

金刚石具有高载流子迁移率、高击穿电场和优异热导率，被认为是具有潜力的下一代功率半导体材料。现有金刚石MOSFET研究中，氢终止金刚石器件已经能够实现较高电流密度和载流子迁移率，但其通常表现为常开型特性，而从失效安全（fail-safe）角度看，常关型器件更具优势。

与此同时，对于面向高功率应用的器件而言，相比横向结构，垂直器件在单位面积导通电阻和击穿电压方面更具优势。但如何在金刚石垂直结构中实现稳定的常关型工作，仍是一个重要问题。反型沟道金刚石MOSFET提供了一条不同路径：该类器件能够天然实现常关型工作，并可通过金刚石体内杂质浓度对阈值电压进行调控。

问题在于，反型层目前只能形成于金刚石（111）表面。因此，要构建沟槽型反型沟道MOSFET，就必须在金刚石中形成具有{111}侧壁的沟槽，而传统反应离子刻蚀等方法难以实现这一特殊结构。

金刚石热化学刻蚀解决沟槽形成难题

此次研究来自日本金泽大学、产业技术综合研究所（AIST）等研究单位。论文题目为《Trench-type inversion-channel diamond MOSFET enabled by thermochemical etching based on C solid solution into Ni》，通讯作者为金泽大学Norio Tokuda教授。论文发表于《Diamond & Related Materials》。

研究的核心思路，是将团队此前发展的金属镍（Ni）与金刚石之间的热化学反应引入沟槽结构制备。该方法利用高温水蒸气环境下Ni与金刚石之间的反应，实现具有各向异性的金刚石刻蚀，从而在（100）金刚石表面形成由{111}晶面围成的倒金字塔或方形台阶式沟槽。

在此基础上，研究人员进一步将这一刻蚀方法与此前建立的反型层形成技术结合，在掺杂金刚石多层结构中制备出具有{111}侧壁的沟槽，并在沟槽侧壁形成反型沟道，最终完成沟槽型反型沟道金刚石MOSFET的制造与电学验证。

器件实现常关型工作，并在300℃下保持运行

结构表征显示，制备出的金刚石沟槽呈明显的V形结构，沟槽侧壁与（100）表面之间的夹角约为54°和56°，与理论上的（100）和（111）晶面夹角约55°基本一致，证明所形成的沟槽侧壁确实对应{111}晶面。同时，Al₂O₃栅介质和金属层能够覆盖沟槽的（100）及{111}表面。

电学测试进一步证明了器件的基本工作能力。在室温和300℃条件下，器件均表现出清晰的FET特性和电流饱和现象，并实现常关型工作。室温下最大电流密度达到0.53 mA/mm，对应的单位有源面积电流密度为2.3 A/cm²；300℃时分别提升至0.87 mA/mm和4.1 A/cm²。器件比导通电阻则由室温下的3.5 Ω·cm²降低至300℃下的1.3 Ω·cm²。

从“器件可工作”走向“性能可提升”

这项工作的意义并不只在于获得一个新的金刚石MOSFET结构，更重要的是，它首次证明了沟槽结构、{111}侧壁和反型沟道能够在同一金刚石MOSFET中实现结合，为垂直型、常关型金刚石功率器件提供了新的结构基础。论文认为，该路线具有进一步降低导通电阻的空间。

不过，当前器件仍存在明显的优化空间。研究人员指出，沟槽侧壁存在台阶和局部凸起，会造成栅金属不连续，并可能增加界面态；同时，位错也会影响{111}侧壁的平整度。此外，本研究采用低掺硼衬底以降低位错密度，但由此带来了较厚的漂移层和较高的串联电阻。未来需要进一步优化沟槽刻蚀、侧壁质量、漂移层厚度以及器件结构。

总体来看，这项研究完成了从特殊晶面沟槽制备到反型沟道形成，再到MOSFET实际运行验证的关键衔接。虽然当前器件性能距离实际高功率应用仍有距离，但其证明了热化学刻蚀与反型沟道技术协同构筑垂直金刚石MOSFET的可行性，为进一步实现超低损耗金刚石功率器件提供了重要基础。