超宽带隙半导体被视为电力电子领域的下一个前沿方向。这类材料包括氧化镓、氮化铝和金刚石，相比碳化硅或氮化镓制成的宽带隙器件，它们具有显著的理论优势。本文将探讨其中部分优势及实现这些优势面临的实际挑战，介绍近期金刚石器件的相关研究成果，并展示 PRBX 营销传播总监帕特里克・勒费夫尔在近期白皮书中重点提及的应用场景。

金刚石半导体的特性

表 1 对比了硅、碳化硅、氮化镓和金刚石的部分基本材料特性。

表1

金刚石更高的带隙使其具备高得多的临界电场和击穿强度。其高体载流子迁移率带来了更低的导通损耗和更高的电流密度优势，而低介电常数则有助于在高频下实现低功耗和小型化。

金刚石是已知热导率最高的材料。这意味着在给定结温升高幅度下，它的热阻更低，因此能实现更高的功率密度，同时减少热机械应力。这一特性也推动了金刚石作为热衬底材料的应用。

表 1 未提及的其他优势包括：氢终端表面的局部电子可转移至价带，从而促进二维空穴气(2DHG)的形成;高抗辐射性使金刚石电子器件在部分特殊高辐射环境中具备关键优势(下文将举例说明);利用二维空穴气中的等离子体振荡原理，金刚石在亚太赫兹和太赫兹频段也展现出独特优势，其高空穴动量弛豫时间是核心竞争力之一。

金刚石电子器件的发展瓶颈

金刚石电子器件发展的核心瓶颈之一是难以制备高质量、大直径衬底。高温高压(HPHT)工艺可在 2000℃以上温度和 10 吉帕以上压力下合成金刚石晶体，能用于制备小直径(约 1 平方厘米)的高质量 IIa 型衬底。成本更低的化学气相沉积(CVD)工艺更适合电子应用，可制备更大尺寸的衬底(直径通常小于 2 至 3 英寸)。电子应用中常用的是含孤立氮原子的 Ib 型金刚石，其缺陷密度(DD)约为 10⁵/ 平方厘米(相比之下，碳化硅衬底的缺陷密度通常为 10²/ 平方厘米)。同质外延化学气相沉积可采用高温高压籽晶作为基层，而异质外延化学气相沉积则以异质衬底(如铱涂层硅或立方碳化硅)为基层，这种方式能制备更大直径的衬底，但会产生更大应力和更高缺陷密度。

掺杂是另一大挑战。硼可用于制备 p 型金刚石，掺杂通常在化学气相沉积生长过程中进行。低掺杂浓度易于实现，但高浓度、大厚度掺杂会导致结晶度下降，难度较大。硼的受主能级距价带 0.37 电子伏特，在室温下电离不完全;当温度高于 500 开尔文时，相同掺杂浓度下的净空穴浓度会显著提高。氮和磷可作为 n 型掺杂剂，但它们的能级更深，导致 n 型掺杂难以实现。

氢终端化是通过表面转移掺杂机制实现掺杂的另一种方法，已被用于制备二维空穴气。其演示的载流子迁移率约为 300 平方厘米 /(伏・秒)，低于体材料的迁移率，但具有温度无关性。体金刚石的净载流子浓度随温度升高而增加，导致体导电金刚石器件的导通电阻呈现负温度系数(NTC)。

这一特性使金刚石在温度超过 400 开尔文 / 450 开尔文时，导通损耗更低，相比宽带隙器件具备明显的功率转换效率优势。但负温度系数也给器件并联带来挑战 —— 电流可能集中在电阻最低的器件中，引发热失控。目前研究主要集中在单极器件，p-n 结的高内置电压(4.9 伏)和短载流子寿命限制了双极器件仅能在极高温度和低频场景下应用。

值得关注的器件研究成果

已发表的重要器件研究成果包括：采用氧化铝(Al₂O₃)场板的 p 型横向肖特基势垒二极管(SBD)，击穿电压达 4612 伏;基于垂直二维空穴气的耗尽型 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管(p-mosfet)，采用氧化铝栅介质，导通电流超过 1 安培;通过紫外臭氧处理修饰氢终端表面的增强型二维空穴气 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管。多纳托等人的理论品质因数分析表明，对于 1700 伏的垂直单极功率场效应晶体管，在 1200 伏、50 安培、20 千赫兹的开关条件下，425 开尔文 / 450 开尔文温度环境中的金刚石器件体积可缩小近 10 倍，功率损耗降低 3 倍。较小的有源区尺寸使金刚石器件的功率密度大幅提升，因此需要更复杂的热管理方案。

器件的可靠性测试仍需推进，尤其是在金刚石相比宽带隙器件具备理论竞争优势的恶劣环境下，可能需要制定新的测试标准和技术。虽然结温越高，金刚石的优势越明显，理论上可简化散热设计，但将其与其他器件(如互补 p 型金刚石器件的 n 型宽带隙器件、栅极驱动器等)集成时，热工程设计可能面临兼容性问题，因此可能需要独特的封装方案。

应用实例

核反应堆环境应用

2011 年 3 月，福岛第一核电站因海啸引发严重堆芯熔毁。这场灾难给开发能在反应堆极端环境(含高辐射)中工作的电子设备带来了挑战，这类设备需获取数据以助力碎片清除和清理工作。大隈金刚石器件公司是日本一家初创企业，最初由日本原子力研究开发机构、北海道大学、日本产业技术综合研究所和高能加速器研究机构合作孵化。经过十年试验，该公司于 2022 年成立，建成了全球唯一的全垂直整合生产基地。其实验室器件良率达 90%，已演示了首款基于金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管的差分放大器原型电路(见图 1)，经证实可在 300℃下工作。

图1

航空电力转换应用

DIAMFAB 是法国格勒诺布尔的一家初创企业，2019 年从法国国家科学研究中心内尔研究所分拆而来，专注于金刚石外延生长和器件开发。该公司目前的产品线包括适用于肖特基势垒二极管或场效应晶体管制造的 p 型掺杂晶圆。DIAMFAB 与内尔研究所、等离子体与能量转换实验室合作，成功演示了一款体叉指型 p 型结型场效应晶体管(p-JFET)，总栅宽 14.7 毫米，导通电流超过 50 毫安。该项目是欧洲 “高海拔作业金刚石转换器与电弧故障检测” 项目的一部分，旨在为未来全电动飞机开发电力转换和管理解决方案。

互补逆变器应用

传统逆变器采用两个 n 沟道器件，为防止直通，需在两个器件的关断 / 导通之间插入死区时间。死区时间会导致场效应晶体管并联的反向二极管产生额外电流损耗，还会造成输出畸变，同时限制开关频率的提升。由 p 型场效应晶体管和 n 型场效应晶体管串联组成的互补逆变器，可简化栅极驱动并最大限度减少死区时间。但碳化硅和氮化镓基 p 型场效应晶体管存在迁移率低、性能不佳的问题，而金刚石 p 型场效应晶体管与 n 型碳化硅或 n 型氮化镓场效应晶体管互补使用可解决这一难题。川井等人近期的研究已证实这一方案的可行性，其开发的互补逆变器开关频率达 100 千赫兹。