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超宽禁带半导体正成为下一代功率电子技术的重要竞争方向。在碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）逐步走向规模化应用的同时，被誉为“终极半导体材料”的金刚石也在不断取得关键突破。近日，日本研究团队首次成功制备出基于二维空穴气（2DHG）结构的单片式双向金刚石开关，为金刚石功率器件的发展迈出了重要一步。
这项研究由日本 Power Diamond Systems公司、Waseda University（早稻田大学）以及Kyushu Institute of Technology（九州工业大学）联合完成。研究团队认为，该技术有望应用于电动汽车的单级车载充电器（OBC）。基于双向开关的单级充电器拓扑结构，相较于传统两级系统，能够降低成本并提高功率密度。
双向开关是现代电力电子系统中的关键器件之一，尤其是在电动汽车车载充电器（OBC）、储能系统以及双向电能转换设备中具有重要应用价值。目前主流双向开关主要有两种实现方式：一种是将两个场效应晶体管（FET）背靠背连接形成双向导通能力；另一种则是在单个器件结构中集成双栅极，实现单片化设计。相比前者，单片式结构能够显著减少芯片面积和器件数量，同时降低导通损耗和系统成本，因此被认为是更具潜力的发展方向。
图1：（a）单片金刚石双向开关。（b）测试装置：A和B用于测试传输特性、输出特性和击穿特性，C用于特定双向开关操作。（c）工作模式。
研究团队此次选择金刚石作为器件材料并非偶然。作为目前已知性能最优异的半导体材料之一，金刚石拥有5.47 eV的超宽禁带宽度、接近10 MV/cm的理论击穿电场以及高达22 W/cm·K的热导率，其散热能力远超硅、碳化硅和氮化镓。同时，金刚石还具备较高的电子和空穴迁移率，使其在高压、高频和高功率密度应用中展现出巨大潜力。
长期以来，金刚石功率器件的发展受到导电沟道构建方式的限制。传统方案通常采用硼掺杂形成深耗尽导电层，但由于硼受主能级激活能较高，在室温条件下难以产生足够的自由载流子，导致器件导通电阻偏高。此次研究采用了近年来备受关注的二维空穴气技术路线。研究人员通过氢等离子体处理在金刚石表面形成氢终止层，从而诱导出高浓度二维空穴气沟道，使器件能够在室温下获得更低的导通电阻。
在器件制造过程中，研究团队利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术在金刚石衬底上生长外延层，并通过选择区域掺杂形成源极接触区。随后采用原子层沉积技术构建氧化铝栅介质，并结合氧等离子体隔离和PECVD绝缘工艺，最终制备出完整的单片式双向开关结构。
测试结果显示，该器件展现出优异的开关性能。在±10 V供电条件下，器件开关电流比超过10⁸，最大输出电流接近250 mA/mm。更值得关注的是，与此前采用深耗尽结构的金刚石双向开关相比，其单位面积导通电阻下降超过一个数量级，仅为8.2 mΩ·cm²，大幅改善了传统金刚石器件导通损耗较高的问题。
与此同时，器件仍然保持了良好的阻断能力。在击穿测试中，器件能够承受约290～310 V的阻断电压。在双向阻断模式下，即使电源电压在−100 V至+100 V之间变化，漏电流仍维持在10 nA/mm以下，展现出优异的关断特性。研究人员还成功验证了双向开关特有的四种工作模式，包括双向导通、双向阻断、正向二极管导通以及反向二极管导通，证明该器件已经具备完整的双向开关功能。
不过，与已经高度成熟的SiC和GaN功率器件相比，金刚石双向开关仍存在明显短板。研究团队指出，目前器件的击穿电场仅达到约0.36 MV/cm，距离金刚石理论性能以及此前报道的1 MV/cm水平仍有较大差距。分析认为，限制因素主要来自栅极边缘区域的电场集中效应。未来若引入场板（Field Plate）结构优化电场分布，不仅有望进一步提高击穿电压，还可能降低栅介质厚度和阈值电压，从而实现性能的全面提升。
从产业化角度来看，双向开关被认为是实现高功率密度单级车载充电器的重要基础器件。当前电动汽车车载充电系统普遍采用多级功率转换架构，而基于双向开关的新型拓扑结构有望减少功率器件数量和磁性元件体积，提升系统效率并降低成本。随着电动汽车、高压快充和储能市场对高性能功率器件需求不断增长，金刚石双向开关的突破也为未来高效电能转换技术提供了新的发展方向。
虽然距离商业化应用仍有不小距离，但此次研究证明了二维空穴气技术在单片式金刚石双向开关上的可行性。导通电阻实现数量级下降，意味着金刚石功率器件正在逐步突破长期存在的性能瓶颈。随着器件结构优化和材料制备技术持续进步，这种被视为“终极功率半导体”的材料，或许将在未来与SiC、GaN共同构建下一代功率电子产业的新格局。
