近期，美國國家材料科學研究所（NIMS）團隊研發(fā)了世界上第一個基于金剛石n型溝道驅動的金屬氧化膜半導體場效應晶體管（MOSFET）。該成果對于以普通電子器件IC為代表的單片集成化（在一個半導體基板內集成多個器件），實現(xiàn)其耐環(huán)境型互補式金屬氧化膜半導體（CMOS）集成電路。該研究進展以“High-Temperature and High-Electron Mobility Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors Based on N-Type Diamond”為題發(fā)表在Advanced Science上。這也為金剛石在功率電子學中的應用邁出重要的一步提供了證據(jù)。


世界首個N溝道金剛石場效應晶體管的具體技術細節(jié)是什么？

CMOS是什么？

據(jù)了解，互補金屬氧化物半導體（CMOS）是計算機芯片中最流行的技術之一，1963年由薩支唐首次提出。CMOS工藝技術是當今集成電路制造的主流技術，99% 的 IC 芯片，包括大多數(shù)數(shù)字、模擬和混合信號IC，都是使用 CMOS 技術制造的。這一制造工藝的最大特點就是低功耗，此外還具有速度快、抗干擾能力強、集成密度高、封裝成本逐漸降低等優(yōu)點。

CMOS技術是將NMOS和PMOS晶體管集成在同一個IC上的技術。在CMOS電路中，NMOS和PMOS晶體管是互相補充的關系，即當一個導通時，另一個關閉。這也就涉及到P型半導體和N型半導體。

金剛石半導體的P型與N型

金剛石半導體具有超寬禁帶(5.45 eV)、高擊穿場強(10 MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導率(22 W/cm·K)等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發(fā)展起到重要作用。尤其是在高溫和高輻射（例如靠近核反應堆堆芯）等極端環(huán)境條件下具有很高的性能和可靠性。因此，金剛石半導體被公認為是最具前景的新型半導體材料，被業(yè)界譽為“終極半導體材料”。

近年來，隨著金剛石生長技術、電力電子、自旋電子學和可在高溫和強輻射條件下運行的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的發(fā)展，對基于金剛石CMOS器件的外圍電路進行單片集成的需求也在增加。為了利用金剛石優(yōu)異性能，實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性出色的控制系統(tǒng)的集成電路，高功能化CMOS受到期待。為制造CMOS集成電路，這就需要p型和n型溝道MOSFET。

目前，金剛石P型半導體工藝相對成熟，但金剛石的N型摻雜，這是一個世界性難題。


與傳統(tǒng)CMOS集成電路相比，N型金剛石MOSFET的優(yōu)勢和潛在應用領域有哪些？

與傳統(tǒng)CMOS集成電路相比，N型金剛石MOSFET的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

超寬禁帶：金剛石作為一種新興的超寬禁帶半導體材料，具有較大的禁帶寬度，這意味著它能夠在更高的電壓下工作而不發(fā)生擊穿，這對于提高電子器件的性能和可靠性至關重要

高導熱系數(shù)：金剛石具有極高的熱導率，這使得金剛石MOSFET在處理高功率密度的應用中表現(xiàn)出色，有助于提高設備的散熱效率，從而減少因過熱導致的性能下降或損壞的風險

高載流子遷移率：通過N型摻雜技術，可以進一步提高電子和空穴的遷移率，這對于提高器件的開關速度和降低功耗具有重要意義。高載流子遷移率有助于實現(xiàn)更快的響應時間和更高的效率

抗輻照性能：金剛石材料還具有優(yōu)異的抗輻照性能，這對于航天、核能等特殊應用領域尤為重要，因為這些環(huán)境下的輻射水平遠高于常規(guī)應用環(huán)境

潛在應用領域包括但不限于：

電力控制領域：金剛石MOSFET因其快速的開關速度和高頻率工作能力，非常適合用于電力控制領域，如逆變器、變壓器等

航空航天和核能：金剛石MOSFET的高硬度、化學穩(wěn)定性和抗輻照性能使其成為航空航天和核能領域的理想選擇，這些領域對材料的可靠性要求極高。

N型金剛石MOSFET憑借其獨特的物理化學性質，在多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力和優(yōu)勢。

多年來，眾多研究者從理論計算和實驗上尋找有利于獲得低電阻率ｎ型金剛石的雜質元素和摻雜方法，都沒有獲得良好的效果。很大原因在于以前大多數(shù)的研究是基于硅單晶摻雜理論，主要的雜質元素有氮、磷、硫、鋰等，通過在生長過程中或采用離子注入方法使各種雜質摻入到單晶金剛石或微晶金剛石薄膜中，但摻雜后的薄膜電導率低，電子遷移率低，難以用作電子器件。比如，氮是金剛石中的深能級雜質，室溫激活能為1.7 eV，就很難在室溫電離出足夠的載流子；磷的能級雖然稍微淺一點，但它在室溫的導電載流子的能力也不是很強，磷進入金剛石以后，很容易和空位復合，形成磷-空位結，它的電子就不容易被釋放出來。迄今為止，還沒有找到一個比較合適的施主雜質。從這個角度講，發(fā)展一種新的摻雜理論，是當務之急。


研究意義

該研究的創(chuàng)新點在于成功地制造出了n型金剛石MOS晶體管，這為金剛石集成電路的發(fā)展打下了基礎。金剛石是一種性能優(yōu)異的半導體材料，其性能遠遠超過了傳統(tǒng)半導體硅。因此，利用金剛石制造高功率電子器件可以實現(xiàn)更高的可靠性和更低的能耗。此外，金剛石還可以用于集成自旋電子學和極端環(huán)境傳感器等領域，具有廣闊的應用前景。


金剛石半導體發(fā)展日趨產業(yè)化？

國寬禁帶功率半導體及應用產業(yè)聯(lián)盟相關報告顯示，金剛石半導體材料的禁帶寬度達5.45 eV，熱導率是已知半導體材料中最高的，因而是一種極具優(yōu)勢的半導體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網、軌道交通等領域有著廣闊的應用前景。

從研發(fā)進展情況來看，由于金剛石的性能優(yōu)勢，人們很早就開啟了對金剛石的研究。20世紀70年代，美國科學家開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。近年來隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領域的研發(fā)投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導體材料的開發(fā)。

根據(jù)專家介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和器件方面均有新的技術突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學氣相沉積(CVD)法，同質外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2 英寸。而采用金剛石異質外延技術的晶圓可達4 英寸。如果是低成本的異質外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應用已很活躍，晶圓已達8 英寸，已可作為導熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。

盡管未來前景廣闊，目前金剛石仍處于基礎研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學問題尚需攻克。對此，吳全就指出，從實驗室研究到生產制造來講，金剛石與其他半導體的程序性流程并無太大差異。就“一代材料，一代工具，一代設備，一代工藝，一代器件，一代產品、一代系統(tǒng)”的通常延展式研究和開發(fā)鏈條來講，金剛石的材料屬性，尤其是硬度、導熱、寬帶隙的特征，拔高了各個環(huán)節(jié)的難度和門檻。如，長晶時間長、晶圓尺寸尚小、切割難度尚大，以及由此引發(fā)的成本偏高，諸如系列因素致使金剛石在全球半導體領域的應用仍處于前期預研或產業(yè)化的早期階段。

相關行業(yè)專家也指出，未來金剛石材料和功率器件的發(fā)展重點應集中在幾個方向：首先是要開發(fā)出滿足功率半導體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術。特別是應重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術，材料質量可以滿足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質量金剛石N型摻雜技術方面進一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎。第三是掌握金剛石器件研制的核心關鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件,提高穩(wěn)定性。開展金剛石材料和器件關鍵設備的研發(fā)，獲得自主知識產權，并實現(xiàn)商業(yè)化。