韩国科学技术研究院（NIMS）的一个研究团队开发出了世界上第一个n型金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。这一突破标志着在基于金刚石的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路的实现方面迈出了重要一步，使得这种集成电路能够在极端环境中使用，并推动金刚石基功率电子器件的发展。

作为半导体的金刚石具有卓越的物理特性，包括 5.5 eV 的超宽带隙、高载流子迁移率以及优异的热导率。这些特性使金刚石成为在高温和强辐射（如核反应堆堆芯附近的环境）等极端条件下应用的高性能、高可靠性材料，极具发展潜力。

与传统的半导体相比，金刚石电子器件不仅减少了对复杂热管理系统的需求，而且提供了更高的能效、更高的击穿电压耐受性以及恶劣环境下的耐久性。

对金刚石CMOS集成技术的需求

另一方面，随着金刚石生长技术、电力电子技术、自旋电子学以及可在高温和强辐射条件下运行的微机电系统（MEMS）传感器的发展，对基于金刚石CMOS器件的外围电路单片集成的需求有所增加。对于CMOS集成电路的制造而言，与传统的硅电子器件一样，既需要p型沟道MOSFET，也需要n型沟道MOSFET。然而，n沟道金刚石MOSFET尚未开发出来。

该物质纳米结构科学研究所的研究团队开发了一种技术，该技术可通过在金刚石中掺入低浓度的磷，在原子层面生长出具有光滑平坦台阶的高质量单晶n型金刚石半导体（图示左图）。凭借该技术，该团队成功研制出世界上首个n沟道金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管。

设计与性能验证

该金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）主要由位于另一掺杂有高浓度磷的金刚石层之上的n型沟道金刚石半导体层组成（见图中的中间图示）。后者金刚石层的使用显著降低了源极和漏极的接触电阻。研究团队证实，所制造的金刚石MOSFET实际上起到了n型沟道场效应晶体管的作用。

此外，该团队验证了MOSFET的出色高温性能，其场效应迁移率（重要的晶体管性能指标）在300°C下约为150 cm2/V·秒（如图中右侧图表所示）。

预计这些成果将促进用于制造节能电力电子器件、自旋电子器件和恶劣环境下的（MEMS）传感器的CMOS集成电路的开发。

参考文献：《基于N型金刚石的高温高电子迁移率金属氧化物半导体场效应晶体管》，作者：廖美勇、孙欢映、小泉聪史，发表于2024年1月19日《先进科学》期刊。DOI：10.1002/advs.202306013