近期，美國國家材料科學(xué)研究所（NIMS）團(tuán)隊(duì)研發(fā)了世界上第一個基于金剛石n型溝道驅(qū)動的金屬氧化膜半導(dǎo)體場效應(yīng)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(dǎo)體基板內(nèi)集成多個器件），實(shí)現(xiàn)其耐環(huán)境型互補(bǔ)式金屬氧化膜半導(dǎo)體（CMOS）集成電路。該研究進(jìn)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(xué)中的應(yīng)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(yīng)晶體管的具體技術(shù)細(xì)節(jié)是什么？

CMOS是什么？

據(jù)了解，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是計(jì)算機(jī)芯片中最流行的技術(shù)之一，1963年由薩支唐首次提出。CMOS工藝技術(shù)是當(dāng)今集成電路制造的主流技術(shù)，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(shù)制造的。這一制造工藝的最大特點(diǎn)就是低功耗，此外還具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、集成密度高、封裝成本逐漸降低等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS技術(shù)是將NMOS和PMOS晶體管集成在同一個IC上的技術(shù)。在CMOS電路中，NMOS和PMOS晶體管是互相補(bǔ)充的關(guān)系，即當(dāng)一個導(dǎo)通時，另一個關(guān)閉。這也就涉及到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。

金剛石半導(dǎo)體的P型與N型

金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶(5.45 eV)、高擊穿場強(qiáng)(10 MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率(22 W/cm·K)等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質(zhì)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(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領(lǐng)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(yīng)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(dǎo)體被公認(rèn)為是最具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

近年來，隨著金剛石生長技術(shù)、電力電子、自旋電子學(xué)和可在高溫和強(qiáng)輻射條件下運(yùn)行的微機(jī)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(jìn)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(shí)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(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(guān)重要

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

高載流子遷移率：通過N型摻雜技術(shù)，可以進(jìn)一步提高電子和空穴的遷移率，這對于提高器件的開關(guān)速度和降低功耗具有重要意義。高載流子遷移率有助于實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)檫@些環(huán)境下的輻射水平遠(yuǎn)高于常規(guī)應(yīng)用環(huán)境

潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括但不限于：

電力控制領(lǐng)域：金剛石MOSFET因其快速的開關(guān)速度和高頻率工作能力，非常適合用于電力控制領(lǐng)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(xué)穩(wěn)定性和抗輻照性能使其成為航空航天和核能領(lǐng)域的理想選擇，這些領(lǐng)域?qū)Σ牧系目煽啃砸髽O高。

N型金剛石MOSFET憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。

多年來，眾多研究者從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上尋找有利于獲得低電阻率ｎ型金剛石的雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(zhì)，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(diǎn)，但它在室溫的導(dǎo)電載流子的能力也不是很強(qiáng)，磷進(jìn)入金剛石以后，很容易和空位復(fù)合，形成磷-空位結(jié)，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(zhì)。從這個角度講，發(fā)展一種新的摻雜理論，是當(dāng)務(wù)之急。


研究意義

該研究的創(chuàng)新點(diǎn)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(chǔ)。金剛石是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅。因此，利用金剛石制造高功率電子器件可以實(shí)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(xué)和極端環(huán)境傳感器等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。


金剛石半導(dǎo)體發(fā)展日趨產(chǎn)業(yè)化？

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

從研發(fā)進(jìn)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(jì)70年代，美國科學(xué)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(lǐng)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(dǎo)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(xué)在材料和器件方面均有新的技術(shù)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(dá)20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，同質(zhì)外延生長的獨(dú)立單晶薄片具有缺陷密度低的特點(diǎn)，最大尺寸可達(dá)1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術(shù)生長的金剛石晶圓可達(dá)2 英寸。而采用金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓可達(dá)4 英寸。如果是低成本的異質(zhì)外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應(yīng)用已很活躍，晶圓已達(dá)8 英寸，已可作為導(dǎo)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(chǔ)研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學(xué)問題尚需攻克。對此，吳全就指出，從實(shí)驗(yàn)室研究到生產(chǎn)制造來講，金剛石與其他半導(dǎo)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(shè)備，一代工藝，一代器件，一代產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于前期預(yù)研或產(chǎn)業(yè)化的早期階段。

相關(guān)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(diǎn)應(yīng)集中在幾個方向：首先是要開發(fā)出滿足功率半導(dǎo)體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術(shù)。特別是應(yīng)重點(diǎn)突破2～4英寸金剛石單晶材料技術(shù)，材料質(zhì)量可以滿足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質(zhì)量金剛石N型摻雜技術(shù)方面進(jìn)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(chǔ)。第三是掌握金剛石器件研制的核心關(guān)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(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。