- 全球首次演示金刚石MOSFET的安培级高速开关特性
- 已确认高速运行，工作电流为 25 安培，上升时间为 19 ns，上升时间为 32 ns
- 金刚石半导体和功率单元驱动电路研发取得重大进展，有望成为下一代功率器件
开发金刚石功率半导体芯片
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）先进电力电子研究中心新功能器件团队高级首席研究员Hitoshi Umezawa、研究组长Toshiharu Makino、副研究中心主任竹内大辅与本田研究开发株式会社（以下简称“本田”）合作开发高电压大电流兼容金刚石用于汽车驱动电源设备的共同研究，Diamond实现了大电流操作MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）我们开发了一种器件，并在世界上首次演示了安培级高速开关操作。
金刚石半导体有望用作下一代功率器件和高频、高输出工作的器件。由于其高击穿电场、材料中最高的热导率以及大带隙，即使在高温环境下也能稳定地处理高电流和高电压，有望实现低能量损耗和小型、轻量化的电力电子器件。相信它将有助于实现更高效的电力转换技术，并正在考虑在电动汽车、可再生能源和航天工业等领域进行应用。
这一成果是将AIST进行的金刚石半导体器件原型技术与本田的器件应用技术相结合的研究结果。
未来，我们将推进新的研究主题的研发，例如实现超高功率密度运行和高频运行，以展示金刚石的材料优势。我们将验证金刚石半导体的优势，开发可在高电压和大电流下运行的金刚石半导体，并旨在通过将其安装在下一代移动电源装置中并演示其运行来将其应用于社会。
请注意，这项研究的部分结果将于 2025 年 3 月 10 日发布。应用物理快车 (APEX)它还将于 4 月在西雅图举行的 2025 年 MRS 春季会议暨展览上展示。
为了实现碳中和，正在积极研究新的电力电子技术，通过精细控制，高效处理汽车和电网中使用的高电压和大电流。目前，硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等半导体材料已投入实际应用，但这些半导体都是基于n型传导，带负电的电子在其中移动。由于这些半导体具有低 p 型电导率，带正电的空穴在其中移动，因此设计自由可靠的电源电路仍然存在技术挑战。因此，人们正在研究新型p型功率半导体材料，以实现更高的耐压和更低的损耗。其中，金刚石半导体因其良好的p型传导、55eV的大带隙、材料中最高的热导率以及高介电击穿电场而备受关注，被称为终极的下一代半导体。
然而，金刚石是一种难以结晶和加工成半导体的材料。此外，为了将金刚石半导体投入实际应用，需要能够处理大安培级电流并实现高速开关的器件。
AIST 多年来一直致力于使用金刚石作为半导体材料的研究和开发。这次，我们在比以前更大的基板上开发了原型工艺以及增加电流的并行化技术，成功生产了能够实现大电流高速开关的原型金刚石晶体管，并成功演示了其操作。
在这项研究中，我们在半英寸单晶金刚石基板上使用氢封端的氢二维空穴载气制造了大量的p型功率MOSFET，建立了允许并行操作的布线制造工艺，并开发了可以实现安培级操作的金刚石MOSFET芯片（图1）。栅极宽度（WG)为1020μm的单个器件的特性中获得了明显的饱和特性，并且我们还确认了在同一衬底上制造的器件的性能以高成品率制造。另外，将314个单个器件的源极、栅极和漏极并联，使总栅极宽度约为32cm的器件的驱动电流为25安培，并且该器件双脉冲法评估开关速度时，我们确认下降时间和上升时间分别为 19 纳秒和 32 纳秒（图 3）。到目前为止，金刚石功率器件的开关特性已使用二极管进行了演示 (2012 年 12 月 25 日 AIST 新闻稿）和毫安级器件等器件进行了测试，但这一研究结果证实了并联金刚石功率开关器件在世界上首次可以进行安培级高速开关操作，是迈向金刚石半导体未来商业化的重要一步。
图1 开发的安培级金刚石MOSFET芯片全景图（314个元件并联）
*原始论文中的数字被引用或修改。
图 2 金刚石 MOSFET 的单元件性能
WG：栅极宽度，VGS：栅源电压
观察到漏极电流的饱和特性这一事实表明获得了良好的工作特性。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
图3 所开发的安培级金刚石MOSFET芯片的开关特性（左：下降，右：上升）
I
L：负载电流，I
D：漏极电流，V
GS：栅源电压，V
DS：漏极电压
VGS在 -10 V（晶体管开启）和 +18 V（晶体管关闭）之间，晶体管变为导通 (ID上升和流动）和非导通状态（ID掉落且不流动）。
*原始论文中的数字被引用或修改。
这项成果是世界上第一个展示p型金刚石半导体安培级运行的成果，为下一代功率半导体的电路设计提供了新的自由度，并提供了一条加速发展到社会实施的技术路径。
未来，我们将提高耐压，增加单个元件的电流密度，并继续研究和实际开发可处理更高功率的元件。我们将进行研究和开发，旨在为移动出行的多样性、实现碳中和社会、减少总能源消耗和提高整个社会的效率做出贡献。
已出版的杂志：应用物理快车(APEX)
论文标题：半英寸H端接金刚石MOSFET芯片的安培级双脉冲测试
作者：K Takaesu、D Sano、I Ota、K Otsuka、D Takeuchi、T Makino 和 H Umezawa
DOI：1035848/1882-0786/adba3a