随着航空航天电子系统对高性能、高可靠性功率器件需求的不断提升，金刚石因其超宽禁带（5.5 eV）、高载流子迁移率、优异热导率、高击穿场强以及极强的抗辐射能力，被视为下一代功率电子器件的理想材料。特别是氢终止金刚石（H-diamond）表面形成的二维空穴气（2DHG）通道，可实现高迁移率p型导电。然而，传统H-diamond MOSFET通常呈现常开（normally-on）特性，而航空航天应用中要求常关（normally-off）操作以确保安全、节能和高可靠性。

       近日，韩国科技大学团队与日本Orbray公司合作，在异质外延金刚石衬底上成功研制出Al/HfO₂/Al栅结构的常关型氢终止金刚石场效应晶体管（FET），实现了金属-绝缘体-金属（MIM）栅架构在可规模化异质外延金刚石平台上的应用。研究成果以“Normally-off Al/HfO₂/Al-gated diamond field effect transistor on a heteroepitaxial diamond substrate”为题，发表在Diamond & Related Materials（2026, 113258）。Yoonseok Nam博士为第一作者，Okhyun Nam教授为通讯作者。

       团队采用商用2英寸异质外延金刚石晶圆（Kernan diamond™）切割出的4 mm × 4 mm样片作为衬底，经酸洗、MPCVD生长200 nm本征金刚石层并进行氢等离子体表面终止处理，表面粗糙度仅0.81 nm，晶体质量对应位错密度约7.18 × 10⁷ cm⁻²。栅介质采用原子层沉积（ALD）在250 °C低温下生长100 nm厚HfO₂，实现了高氧化物电容0.195 µF/cm²（对应介电常数约22.0）。器件采用Al作为下层肖特基接触金属，上层Al作为电容控制电极，栅长5 µm，栅宽100 µm。

       器件展现出清晰的常关特性，阈值电压V_TH = -0.72 V，通过Al肖特基接触有效耗尽2DHG通道实现。关键性能指标包括：

最大漏极电流密度14.8 mA/mm（V_GS = -5 V）最大跨导5.74 mS/mm开/关比约10⁸亚阈值摆幅（SS）仅81.3 mV/dec界面态密度（D_it）低至4.46 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹有效空穴迁移率约30 cm²/V·s最大空穴面密度5.21 × 10¹² cm⁻²栅极漏电流密度1.81 × 10⁻⁴ A/cm²（-5 V）关态漏极电流低至10⁻⁷ mA/mm量级

       尽管采用缺陷密度较高的异质外延衬底，器件性能仍与基于高纯同质外延衬底的报道相当，甚至在亚阈值摆幅和界面态密度方面优于或媲美多数已报道的常关型MIM栅H-diamond FET。HfO₂的高介电常数为器件小型化和低漏电提供了潜力，泄漏机制主要为陷阱辅助的空间电荷限制导电（SCLC），未来通过退火等工艺优化可进一步降低陷阱密度。

       该工作证实了HfO₂基MIM栅架构结合可规模化异质外延金刚石衬底的可行性，为实现高集成度、高可靠性常关型金刚石功率器件，特别是面向下一代航空航天逻辑与功率电子系统，提供了极具前景的技术路径。

图文导读

图 1. (a) 金刚石表面的原子力显微镜（AFM）图像；(b) 经氢等离子体处理后的金刚石X射线衍射（XRC）扫描图。

图 2. (a) Al/HfO2/Al 门控氢金刚石场效应晶体管（FET）的示意横截面结构；(b) Al/HfO2/Al 门控氢金刚石场效应晶体管的光学图像。

图3. (a) LGD=10 μm时IDS-VDS特性曲线；(b) Al/HfO₂/Al栅极氢化钻石场效应晶体管的|IDS|⁰.⁵-VGS特性曲线；(c) |IDS|/|IGS|-VGS特性曲线。