全球首次验证trench型反型层沟道金刚石MOSFET工作

背景与意义

电力转换过程中产生的能量损耗若能被降至极限，超低损耗功率器件（power device）的实现将备受期待。在此背景下，金刚石因具有高击穿电场、高载流子迁移率和高热导率，被视为“终极半导体材料”。而最有利于降低损耗的 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）结构，是在半导体中设置沟槽（trench）或凹陷，并将其侧壁用作可开关的电流通路（沟道）的“trench 型 MOSFET”。

将二者结合的 trench 型金刚石 MOSFET 被认为是低损耗功率器件的终极形态之一，但受原理制约，稳定实现功率器件所要求的“常关（normally-off）动作”一直是一大课题。

作为解决方案，研究团队采用能够实现稳定常关动作和阈值控制的“反型层（inversion layer）”作为沟道，实现了“trench 型反型层沟道金刚石 MOSFET”，并全球首次成功验证其工作。金泽大学与产业技术综合研究所（产综研）于9月18日联合发布了这一消息。

图：trench 型反型层沟道金刚石 MOSFET 的俯视图(a)及截面示意图(b)。基于 Y. Nakamura, M. Nagai et al., Diamond and Related Materials (2026), CC BY 4.0 修改（来源：金大新闻稿 PDF）

该成果由金泽大学金刚石研究中心德田规夫教授、金泽大学研究生院自然科学研究科电子情报科学专攻研究生中村勇斗、产综研先进功率电子研究中心金刚石器件研究团队研究员长井雅嗣等组成的联合研究团队完成。详情已发表于专业期刊《Diamond and Related Materials》，该刊涵盖金刚石及相关尖端材料从基础科学到技术应用的内容。

trench 型金刚石 MOSFET 面临的课题与解决方案

Trench 型 MOSFET 属于电流沿基板垂直方向流动的“纵向型”，其特点是通过在 trench 侧壁（纵向）形成沟道，提高单位面积沟道密度。此外，它不会产生作为损耗成分的“JFET 电阻”，因此可降低导通电阻，被认为是最有利于低损耗的 MOSFET 结构。

在采用金刚石的 trench 型金刚石 MOSFET 中，最大障碍是“稳定实现常关动作”。常关是指栅极未加电压时不流过电流，而施加电压后才开始流过电流的特性。常关动作可作为失效安全（fail-safe）机制，在停电或系统异常时自动切断电流并安全停止，因此被视为功率器件不可或缺的特性。

有望解决该课题的方法，是将“反型层”用作沟道。反型层是指通过栅极电压，使栅极正下方半导体中少量存在的载流子（电流载体）聚集到半导体表面而形成的导电层。反型层沟道能够实现稳定的常关动作和阈值控制（将沟道开始形成的栅极电压“阈值电压”设计、调整至目标值）。

然而，在金刚石中能够形成反型层的表面仅限于晶体 {111} 面，而传统 trench 形成方法难以以足够品质形成具有 {111} 侧壁的 trench。因此，trench 型反型层沟道金刚石 MOSFET 的工作验证此前一直未能实现。

为此，研究团队此次将独自开发的在金刚石（111）面上制作反型层沟道 MOSFET 的技术，与利用水蒸气气氛中碳向镍固溶反应的晶体各向异性金刚石刻蚀技术相结合，着手开发新的 trench 型反型层沟道 MOSFET 制作工艺。

研究成果

新开发的“晶体各向异性刻蚀技术”能够在金刚石（100）面上形成以 {111} 面为侧壁的倒金字塔型 trench。此次全球首次成功验证工作，证明使用该技术形成的 trench 侧壁可作为反型层沟道使用。

此外，确认所制作器件不仅在室温下，在 300℃ 高温环境下也表现出清晰的 FET 特性和常关特性。FET 特性是指，可通过施加于栅极的电压控制流过器件的漏极电流大小，以及随着漏极电压增加漏极电流增大、并在一定电压以上饱和等。

图：trench 型反型层沟道金刚石 MOSFET 在室温和 300℃ 下的电气特性：(a) 漏极电流密度-漏极电压特性；(b) 漏极电流-栅极电压特性。基于 Y. Nakamura, M. Nagai et al., Diamond and Related Materials (2026), CC BY 4.0 修改（来源：金大新闻稿 PDF）

展望

此次成果为功率器件开辟了新的可能性：一种具备从失效安全角度被视为安全的常关特性的新型 trench 型金刚石 MOSFET。研究团队表示，今后将推进器件结构优化，以实现进一步低损耗化。未来，期望通过搭载于电动汽车和电网实现节能，并为碳中和社会的实现作出贡献。