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宽禁带材料金刚石热度大增

2022-03-11 14:00:25 来源: 半导体行业观察

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自allaboutcircuit ，谢谢

在寻找更好的宽带隙 (WBG) 材料的过程中，研究人员正在寻求利用金刚石来制造用于高功率和高频电子设备的场效应晶体管 (FET)。

硅 (si) 通常作为一种用于高功率和高频电子制造的材料，并在其中占据主导地位。尽管广泛使用，但研究人员和公司仍在研究“次佳”的宽带隙材料，例如碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN)，甚至金刚石。

更具体地说，这些宽带隙材料希望在高功率和高频电子应用中具有优于硅的优势。

此外，替代宽带隙材料可能更适合电网应用，并提供可靠性和更高的能量转换效率，以实现高效的绿色电子系统。

值得注意的是，日本国家材料科学研究所的研究人员最近对钻石进行的研究有望为制造基于钻石的 P 沟道 FET铺平道路。

考虑到这一点，让我们通过回答金刚石在电力电子中的应用方式来更好地了解金刚石作为一种可能的用于电力应用的半导体材料的趋势？而且，与碳化硅和氮化镓相比，它有什么显着优势？

如前所述，金刚石作为一种宽带隙材料越来越受欢迎，因为硅可能达到其理论极限，以满足最先进的大功率电子设备不断增长的需求。

金刚石优于 SiC 等其他材料的一个领域是其高介电击穿强度和高临界电场。这一优势可能有利于降低高功率工程设备和应用中肖特基势垒二极管 (SBD)击穿电压能力的导通电阻。

此外，正如英国格拉斯哥大学的研究人员过去所证明的那样，工程师还可以利用金刚石制造具有改进的射频 (RF) 性能和 55 GHz 高截止频率的基于金刚石的 FET。

尽管有这些固有的好处，但一个大问题仍然是用钻石制造和制造有多困难？

大多数情况下，金刚石基底可以通过高压高温 (HPHT) 或化学气相沉积 (CVD)技术合成。

化学气相沉积涉及气相内部的化学反应和沉积到基材表面上。CVD法生长金刚石薄膜通常是在非平衡条件下进行的。

此外，原子氢被用来消除在金刚石表面形成的非金刚石碳，包括石墨。

多年来，化学气相沉积工艺已经生产出大面积的基底和高质量的单晶金刚石。由于不懈的研究，据报道，最大的单晶金刚石基板的直径已经高达 99 毫米。

尽管可以制造金刚石基板，但当然需要进一步扩大该技术的规模。

由于其某些电气特性，金刚石已进入高功率设备和应用领域。

在查看了对基于金刚石的电力电子设备的一些研究之后，这些设备可以在高温下舒适地运行，而无需最先进的大功率电子设备的广泛冷却和电路保护要求。

这种类型的应用可以在金刚石肖特基整流器的示例中看到，该整流器实现了高温操作和低导通电阻以及高达 8 kV 的高击穿电压。

此外，研究人员已经在金刚石金属半导体场效应晶体管 (MESFET) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 中展示了高频操作。

通常，这些组件针对高功率射频 (RF) 功率放大器中的应用。

为了解决由低空穴迁移率引起的 P 沟道 WBG FET 中的高导通电阻和高导通损耗问题，日本国立材料科学研究所的研究人员制造了一种高迁移率 P 沟道宽带隙异质结 FET ，这个产品由氢终止的金刚石通道和六方氮化硼 (h-BN) 栅极绝缘体组成。

研究人员的 FET 是在高温高压工艺中合成的 IIa 型 (111) 单晶金刚石上制造的。

使用 CVD 工艺，在 650°C 的温度下，金刚石首先在 H 2气体中退火 35 分钟。之后，在微波等离子体辅助 CVD (MPCVD) 室中将其暴露于 600°C 的氢等离子体中约 10 至 12 分钟。

研究人员声称，金刚石在室温下具有高于 2000 cm 2 V -1 s -1的声子限制本征空穴迁移率，使其适用于制造高迁移率 p 沟道晶体管。

在室温下，研究人员记录了 680 cm 2 V -1 s -1的空穴迁移率，随着温度的降低，该迁移率增加到 1000 cm 2 V -1 s -1。

然而，研究人员指出，金刚石 FET 获得的结果是由宽带隙半导体制成的 p 沟道 FET 报告的最佳值。

总而言之，随着越来越多的研究不断地研究金刚石作为 WBG 材料的有效性和实用性，看看这种材料在半导体行业中如何以及在何处发展将会很有趣。

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