近日，日本國立材料科學研究所（NIMS）的科研團隊取得一項重大成果，他們成功開發(fā)出世界上首個n溝道金剛石金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），這一突破為制造用于極端環(huán)境的金剛石基互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路帶來了希望。
金剛石作為一種半導體材料，具有許多優(yōu)異的物理特性。它擁有高達5.5電子伏特的超寬帶隙，載流子遷移率高，導熱性也十分出色。這些特性讓金剛石在高溫、強輻射等極端條件下，成為高性能、高可靠性應用的理想材料，比如在核反應堆核心附近的設備中就大有用武之地。
與傳統(tǒng)半導體相比，金剛石電子器件不僅能減少對復雜熱管理系統(tǒng)的需求，還更加節(jié)能，能承受更高的擊穿電壓，在惡劣環(huán)境下也更耐用。
隨著金剛石生長技術以及在高溫、強輻射環(huán)境下工作的電力電子、自旋電子和微機電系統(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越來越大。就像傳統(tǒng)的硅基電子產品一樣，制造CMOS集成電路需要p型和n型溝道MOSFET，然而此前n溝道金剛石MOSFET一直未被成功開發(fā)出來。
此次NIMS團隊通過向金剛石中摻雜低濃度的磷，研發(fā)出一種能生長出原子級光滑平整臺面的高質量單晶n型金剛石半導體的技術。借助這項技術，他們首次制造出了n溝道金剛石MOSFET。
這個MOSFET主要由一個n溝道金剛石半導體層和其下方一個高濃度磷摻雜的金剛石層構成。下方的金剛石層大幅降低了源極和漏極的接觸電阻。研究團隊證實，制造出的金剛石MOSFET確實具備n溝道晶體管的功能。
此外，研究團隊還驗證了該MOSFET出色的高溫性能。在300°C的環(huán)境下，其場效應遷移率約為150平方厘米/伏·秒，這是衡量晶體管性能的重要指標。
這一成果有望推動用于制造節(jié)能電力電子器件、自旋電子器件和MEMS傳感器的CMOS集成電路的發(fā)展，使其能在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。
參考資料：DOI: 10.1002/advs.202306013
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