金刚石FET技术的突破实现了+8.3V阈值电压，增强了大功率器件的性能和安全性。（来源：©cristianstorto - stock.adobe.com）
氢端接金刚石场效应晶体管（FET）长期以来一直被认为是极功率和高频应用的有前途的器件，这要归功于金刚石卓越的导热性、宽禁带和击穿场。然而，到目前为止，在累积通道设计中实现高阈值电压的增强模式工作仍然难以捉摸，这限制了器件的电压处理和安全裕度。
墨尔本皇家墨尔本理工大学和格拉斯哥大学研究人员的一项研究表明，一种极端增强模式氢端接金刚石FET，其阈值电压超过+8V，创下该器件类别的历史新高，并且能够在苛刻的电应力条件下实现高性能运行。这一进步不仅克服了重大的设计挑战，而且使金刚石FET能够部署在下一代高功率、高温电子产品中。
将阈值电压推到极限之外
传统的氢端接金刚石FET在耗尽模式或适度的增强模式阈值下工作，通常低于+3V，在高压电路中几乎没有留出安全栅极偏置的余量。研究团队使用重新优化的栅极介电堆来设计他们的设备，集成了高质量的氧化铝（Al2O3）通过原子层沉积在氢化金刚石表面的顶部生长。精心的界面工程最大限度地减少了电荷捕获和泄漏路径，使累积通道能够在显着更高的正栅极电压下保持稳定。
电气表征显示阈值电压为+8.3V，远远超过氢端接金刚石累积通道FET的先前记录。这使得该器件能够在具有更高电源电压的电路中安全运行，将其应用范围从射频功率放大器扩展到恶劣环境中的脉冲功率开关。重要的是，这种阈值偏移是在不牺牲信道迁移率的情况下实现的，保持了高跨导并保持了具有竞争力的导通电流密度。
在极端条件下稳定运行
金刚石电子产品的标志之一是在极端热和电环境中的弹性，所展示的FET延续了这一传统。这些器件在高温下保持稳定的传输特性，即使在长时间的高场应力下，滞后可以忽略不计，漂移也很小。当氢端接表面与优化的介电界面结合时，抑制了在温度循环过程中通常会降低性能的界面状态的形成。
完整的累积通道H-金刚石FE 的自上而下的光学显微镜🔬图像，栅极/通道长度为1μm，宽度为25μm。（来源：先进电子材料）
连续偏置应力下的可靠性测试证实了长期稳定性，长时间运行后没有明显的阈值电压偏移或跨导退化。这些结果强调了增强型氢端接金刚石FET对于无法出现故障的关键任务系统（例如航空航天功率转换、雷达发射器和高压电动汽车逆变器）的可行性。
迈向实用的大功率金刚石电子
通过将阈值电压提高到前所未有的水平，同时保持高迁移率和稳定性，这项工作解决了氢端接金刚石 FET 主流采用的关键障碍之一。增强模式作在电力电子领域尤为重要，因为它提供故障安全“常关”行为，减少待机损耗并增强系统安全性。高击穿场、宽禁带和极高的耐热性相结合，意味着这些器件在要求最苛刻的高功率角色中可以优于碳化硅（SiC）和氮化镓 （GaN）晶体管。
该制造工艺依赖于与现有半导体制造兼容的原子层沉积和表面处理步骤，也为扩大生产提供了一条可行的途径。随着研究不断完善栅极电介质、接触电阻和热管理，氢端接金刚石FET可能会从研究实验室转移到先进工业、国防和可再生能源系统中的功率模块。
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