近期，美国国家材料科学研究所（NIMS）团队研发了世界上第一个基于金刚石n型沟道驱动的金属氧化膜半导体场效应晶体管（MOSFET）。该成果对于以普通电子器件IC为代表的单片集成化（在一个半导体基板内集成多个器件），实现其耐环境型互补式金属氧化膜半导体（CMOS）集成电路。该研究进展以“High-Temperature and High-Electron Mobility Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors Based on N-Type Diamond”为题发表在Advanced Science上。这也为金刚石在功率电子学中的应用迈出重要的一步提供了证据。


世界首个N沟道金刚石场效应晶体管的具体技术细节是什么？

CMOS是什么？

据了解，互补金属氧化物半导体（CMOS）是计算机芯片中最流行的技术之一，1963年由萨支唐首次提出。CMOS工艺技术是当今集成电路制造的主流技术，99% 的 IC 芯片，包括大多数数字、模拟和混合信号IC，都是使用 CMOS 技术制造的。这一制造工艺的最大特点就是低功耗，此外还具有速度快、抗干扰能力强、集成密度高、封装成本逐渐降低等优点。

CMOS技术是将NMOS和PMOS晶体管集成在同一个IC上的技术。在CMOS电路中，NMOS和PMOS晶体管是互相补充的关系，即当一个导通时，另一个关闭。这也就涉及到P型半导体和N型半导体。

金刚石半导体的P型与N型

金刚石半导体具有超宽禁带(5.45 eV)、高击穿场强(10 MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(22 W/cm·K)等材料特性，以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。尤其是在高温和高辐射（例如靠近核反应堆堆芯）等极端环境条件下具有很高的性能和可靠性。因此，金刚石半导体被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

近年来，随着金刚石生长技术、电力电子、自旋电子学和可在高温和强辐射条件下运行的微机电系统（MEMS）传感器的发展，对基于金刚石CMOS器件的外围电路进行单片集成的需求也在增加。为了利用金刚石优异性能，实现环境稳定性出色的控制系统的集成电路，高功能化CMOS受到期待。为制造CMOS集成电路，这就需要p型和n型沟道MOSFET。

目前，金刚石P型半导体工艺相对成熟，但金刚石的N型掺杂，这是一个世界性难题。


与传统CMOS集成电路相比，N型金刚石MOSFET的优势和潜在应用领域有哪些？

与传统CMOS集成电路相比，N型金刚石MOSFET的优势主要体现在以下几个方面：

超宽禁带：金刚石作为一种新兴的超宽禁带半导体材料，具有较大的禁带宽度，这意味着它能够在更高的电压下工作而不发生击穿，这对于提高电子器件的性能和可靠性至关重要

高导热系数：金刚石具有极高的热导率，这使得金刚石MOSFET在处理高功率密度的应用中表现出色，有助于提高设备的散热效率，从而减少因过热导致的性能下降或损坏的风险

高载流子迁移率：通过N型掺杂技术，可以进一步提高电子和空穴的迁移率，这对于提高器件的开关速度和降低功耗具有重要意义。高载流子迁移率有助于实现更快的响应时间和更高的效率

抗辐照性能：金刚石材料还具有优异的抗辐照性能，这对于航天、核能等特殊应用领域尤为重要，因为这些环境下的辐射水平远高于常规应用环境

潜在应用领域包括但不限于：

电力控制领域：金刚石MOSFET因其快速的开关速度和高频率工作能力，非常适合用于电力控制领域，如逆变器、变压器等

航空航天和核能：金刚石MOSFET的高硬度、化学稳定性和抗辐照性能使其成为航空航天和核能领域的理想选择，这些领域对材料的可靠性要求极高。

N型金刚石MOSFET凭借其独特的物理化学性质，在多个领域展现出巨大的应用潜力和优势。

多年来，众多研究者从理论计算和实验上寻找有利于获得低电阻率ｎ型金刚石的杂质元素和掺杂方法，都没有获得良好的效果。很大原因在于以前大多数的研究是基于硅单晶掺杂理论，主要的杂质元素有氮、磷、硫、锂等，通过在生长过程中或采用离子注入方法使各种杂质掺入到单晶金刚石或微晶金刚石薄膜中，但掺杂后的薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。比如，氮是金刚石中的深能级杂质，室温激活能为1.7 eV，就很难在室温电离出足够的载流子；磷的能级虽然稍微浅一点，但它在室温的导电载流子的能力也不是很强，磷进入金刚石以后，很容易和空位复合，形成磷-空位结，它的电子就不容易被释放出来。迄今为止，还没有找到一个比较合适的施主杂质。从这个角度讲，发展一种新的掺杂理论，是当务之急。


研究意义

该研究的创新点在于成功地制造出了n型金刚石MOS晶体管，这为金刚石集成电路的发展打下了基础。金刚石是一种性能优异的半导体材料，其性能远远超过了传统半导体硅。因此，利用金刚石制造高功率电子器件可以实现更高的可靠性和更低的能耗。此外，金刚石还可以用于集成自旋电子学和极端环境传感器等领域，具有广阔的应用前景。


金刚石半导体发展日趋产业化？

国宽禁带功率半导体及应用产业联盟相关报告显示，金刚石半导体材料的禁带宽度达5.45 eV，热导率是已知半导体材料中最高的，因而是一种极具优势的半导体材料，可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制作功率半导体器件的理想材料。在智能电网、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。

从研发进展情况来看，由于金刚石的性能优势，人们很早就开启了对金刚石的研究。20世纪70年代，美国科学家开发出利用高温高压法（HPHT）生长小块状金刚石单晶，开启了金刚石研究的热潮。近年来随着后摩尔时代的来临，人们在新材料领域的研发投入不断增长，也加速了金刚石等超宽禁带半导体材料的开发。

根据专家介绍，近年来金刚石功率电子学在材料和器件方面均有新的技术突破。在材料方面，采用高温高压法制备的单晶金刚石直径已达20mm，且缺陷密度较低。如果是采用化学气相沉积(CVD)法，同质外延生长的独立单晶薄片具有缺陷密度低的特点，最大尺寸可达1英寸；采用“平铺克隆”晶片的马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2 英寸。而采用金刚石异质外延技术的晶圆可达4 英寸。如果是低成本的异质外延CVD 法，金刚石多晶薄膜的发展和应用已很活跃，晶圆已达8 英寸，已可作为导热衬底，用于新一代GaN功率电子器件。

尽管未来前景广阔，目前金刚石仍处于基础研究尚待突破阶段，在材料、器件等方面都有大量科学问题尚需攻克。对此，吴全就指出，从实验室研究到生产制造来讲，金刚石与其他半导体的程序性流程并无太大差异。就“一代材料，一代工具，一代设备，一代工艺，一代器件，一代产品、一代系统”的通常延展式研究和开发链条来讲，金刚石的材料属性，尤其是硬度、导热、宽带隙的特征，拔高了各个环节的难度和门槛。如，长晶时间长、晶圆尺寸尚小、切割难度尚大，以及由此引发的成本偏高，诸如系列因素致使金刚石在全球半导体领域的应用仍处于前期预研或产业化的早期阶段。

相关行业专家也指出，未来金刚石材料和功率器件的发展重点应集中在几个方向：首先是要开发出满足功率半导体器件制造要求的2～4英寸金刚石单晶衬底制备技术。特别是应重点突破2～4英寸金刚石单晶材料技术，材料质量可以满足金刚石功率器件研发的需求。其次是在高质量金刚石N型掺杂技术方面进一步取得突破，提高电子和空穴迁移率，为研制金刚石功率器件奠定基础。第三是掌握金刚石器件研制的核心关键工艺，研制出高性能的金刚石功率器件,提高稳定性。开展金刚石材料和器件关键设备的研发，获得自主知识产权，并实现商业化。