全球首个！金刚石晶体管！

金刚石在所有已知的半导体中，以其卓越的品质因数显著超越传统的半导体硅，为下一代电子设备提供了极具潜力的材料选择。然而，要将金刚石应用于集成电路的制造，必须开发出具备n沟道和p沟道导电性的金刚石互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，这与我们为半导体硅所建立的器件构造原理如出一辙。遗憾的是，由于n型沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的技术难题，金刚石CMOS的研发一直未能取得突破。

近日，日本国立材料科学研究所（NIMS）的科研人员取得了突破性进展。他们基于步进流成核模式，成功制造出了具有原子级平坦表面的电子级磷掺杂n型金刚石外延层，并展示了n沟道金刚石MOSFET。这一n型金刚石MOSFET在573 K时，展现出了高达约150 cm²/V·s的场效应迁移率，这一数值在所有基于宽带隙半导体的n沟道MOSFET中位居榜首。这一重大成果不仅有助于推动金刚石CMOS集成电路的研发，更为开发节能且高可靠性的电子器件、集成自旋电子学和极端传感器等领域开辟了新的道路，尤其是在恶劣环境下需要高功率电子器件的应用中，展现了巨大的潜力。

图文导读

图1. 高品质轻掺磷 n 型金刚石外延层。

图2. 基于磷掺杂 n 型金刚石的 MOSFET 以及温度高达 573 K 时的电气特性。

图3. n 沟道金刚石 MOSFET 的传输特性。

图4. 实验和理论场效应电子迁移率。

结论

1. NIMS研究团队开发出世界上第一个n沟道金刚石MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。所开发的n沟道金刚石MOSFET为面向恶劣环境应用的CMOS（互补金属氧化物半导体：计算机芯片中最流行的技术之一）集成电路以及金刚石电力电子器件的发展迈出了关键一步。

2. 半导体金刚石具有5.5eV的超宽带隙能量、高载流子迁移率、高导热率等优异的物理特性，在环境等极端环境条件下具有高性能、高可靠性的应用前景高温和高辐射水平（例如，靠近核反应堆堆芯）。通过使用金刚石电子器件，不仅可以减轻传统半导体的热管理需求，而且这些设备也更加节能，并且可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。另一方面，随着金刚石生长技术、电力电子学、自旋电子学以及可在高温和强辐射条件下工作的微机电系统（MEMS）传感器的发展，对基于金刚石CMOS器件的外围电路的需求不断增加。一体化。对于 CMOS 集成电路的制造，与传统硅电子器件一样，需要 p 型和 n 型沟道 MOSFET。然而，n 沟道金刚石 MOSFET 尚未开发出来。

3. NIMS研究小组开发了一种通过在金刚石中掺杂低浓度磷来生长高质量单晶n型金刚石半导体的技术，该半导体在原子水平上具有光滑平坦的平台。利用该技术，该团队在世界上首次成功制造了n沟道金刚石MOSFET。该MOSFET主要由一个n沟道金刚石半导体层和另一个掺杂高浓度磷的金刚石层组成。后者金刚石层的使用显着降低了源极和漏极接触电阻。该团队证实所制造的金刚石 MOSFET 实际上具有 N 沟道晶体管的功能。此外，该团队还验证了 MOSFET 优异的高温性能，其场效应迁移率（晶体管的重要性能指标）在 300°C 时约为 150 cm² /V･sec。

4. 这些成果预计将促进 CMOS 集成电路的开发，用于制造恶劣环境下的节能电力电子器件、自旋电子器件和（MEMS）传感器。

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