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       金剛石在所有已知的半導(dǎo)體中，以其卓越的品質(zhì)因數(shù)顯著超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅，為下一代電子設(shè)備提供了極具潛力的材料選擇。然而，要將金剛石應(yīng)用于集成電路的制造，必須開(kāi)發(fā)出具備n溝道和p溝道導(dǎo)電性的金剛石互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，這與我們?yōu)榘雽?dǎo)體硅所建立的器件構(gòu)造原理如出一轍。遺憾的是，由于n型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的技術(shù)難題，金剛石CMOS的研發(fā)一直未能取得突破。

       近日，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所（NIMS）的科研人員取得了突破性進(jìn)展。他們基于步進(jìn)流成核模式，成功制造出了具有原子級(jí)平坦表面的電子級(jí)磷摻雜n型金剛石外延層，并展示了n溝道金剛石MOSFET。這一n型金剛石MOSFET在573 K時(shí)，展現(xiàn)出了高達(dá)約150 cm2/V·s的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，這一數(shù)值在所有基于寬帶隙半導(dǎo)體的n溝道MOSFET中位居榜首。這一重大成果不僅有助于推動(dòng)金剛石CMOS集成電路的研發(fā)，更為開(kāi)發(fā)節(jié)能且高可靠性的電子器件、集成自旋電子學(xué)和極端傳感器等領(lǐng)域開(kāi)辟了新的道路，尤其是在惡劣環(huán)境下需要高功率電子器件的應(yīng)用中，展現(xiàn)了巨大的潛力。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 高品質(zhì)輕摻磷 n 型金剛石外延層。

圖2. 基于磷摻雜 n 型金剛石的 MOSFET 以及溫度高達(dá) 573 K 時(shí)的電氣特性。

圖3. n 溝道金剛石 MOSFET 的傳輸特性。

圖4. 實(shí)驗(yàn)和理論場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率。 

結(jié)論：

1. NIMS研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)n溝道金剛石MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。所開(kāi)發(fā)的n溝道金剛石MOSFET為面向惡劣環(huán)境應(yīng)用的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體：計(jì)算機(jī)芯片中最流行的技術(shù)之一）集成電路以及金剛石電力電子器件的發(fā)展邁出了關(guān)鍵一步。

2. 半導(dǎo)體金剛石具有5.5eV的超寬帶隙能量、高載流子遷移率、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異的物理特性，在環(huán)境等極端環(huán)境條件下具有高性能、高可靠性的應(yīng)用前景高溫和高輻射水平（例如，靠近核反應(yīng)堆堆芯）。通過(guò)使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)半導(dǎo)體的熱管理需求，而且這些設(shè)備也更加節(jié)能，并且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環(huán)境。另一方面，隨著金剛石生長(zhǎng)技術(shù)、電力電子學(xué)、自旋電子學(xué)以及可在高溫和強(qiáng)輻射條件下工作的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的發(fā)展，對(duì)基于金剛石CMOS器件的外圍電路的需求不斷增加。一體化。對(duì)于 CMOS 集成電路的制造，與傳統(tǒng)硅電子器件一樣，需要 p 型和 n 型溝道 MOSFET。然而，n 溝道金剛石 MOSFET 尚未開(kāi)發(fā)出來(lái)。

3. NIMS研究小組開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)在金剛石中摻雜低濃度磷來(lái)生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶n型金剛石半導(dǎo)體的技術(shù)，該半導(dǎo)體在原子水平上具有光滑平坦的平臺(tái)。利用該技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)在世界上首次成功制造了n溝道金剛石MOSFET。該MOSFET主要由一個(gè)n溝道金剛石半導(dǎo)體層和另一個(gè)摻雜高濃度磷的金剛石層組成。后者金剛石層的使用顯著降低了源極和漏極接觸電阻。該團(tuán)隊(duì)證實(shí)所制造的金剛石 MOSFET 實(shí)際上具有 N 溝道晶體管的功能。此外，該團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了 MOSFET 優(yōu)異的高溫性能，其場(chǎng)效應(yīng)遷移率（晶體管的重要性能指標(biāo)）在 300°C 時(shí)約為 150 cm2 /V?sec。

4. 這些成果預(yù)計(jì)將促進(jìn) CMOS 集成電路的開(kāi)發(fā)，用于制造惡劣環(huán)境下的節(jié)能電力電子器件、自旋電子器件和（MEMS）傳感器。