James Bond小說(shuō)的作者Ian Flemin曾寫(xiě)道，鉆石可能是永恒的。但在工程師的角度來(lái)看，其或?qū)⒂肋h(yuǎn)處于實(shí)用半導(dǎo)體材料的邊緣。盡管這種材料具有優(yōu)點(diǎn)——比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的碳化硅和氮化鎵（GaN）更寬的帶隙，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)，以及在比硅鉆石的缺點(diǎn)高得多的溫度和電壓下工作的能力，但金剛石的劣勢(shì)使材料的大部分閃光黯然失色。

       成本是一個(gè)明顯的障礙。與硅相比，碳化硅的價(jià)格是硅的30到40倍，而氮化鎵的價(jià)格是硅的650到1300倍。用于半導(dǎo)體研究的人造金剛石材料的價(jià)格約為硅的10000倍。另一個(gè)問(wèn)題是小尺寸的金剛石晶片，最大的商用尺寸小于10平方毫米。使用離子注入摻雜該材料是困難的，并且該材料的電荷載流子活化在室溫下變得效率較低。

       位于筑波（東京東北50公里）的日本國(guó)家材料科學(xué)研究所（NIMS）首席研究員Takahide Yamaguchi說(shuō)：“由于存在這些缺點(diǎn)，在半導(dǎo)體器件中使用金剛石一直是一個(gè)挑戰(zhàn)?！盩akahide Yamaguchi是去年12月發(fā)表的一篇關(guān)于自然電子學(xué)中金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的論文的通訊作者。“盡管我們還沒(méi)有克服這些問(wèn)題，但我們已經(jīng)證明，使用這種材料可以促進(jìn)低損耗功率轉(zhuǎn)換和高速通信等應(yīng)用的金剛石器件的開(kāi)發(fā)，取得了有希望的結(jié)果?！?/p>

       Yamaguchi指的“有希望的結(jié)果”是包括他自己在內(nèi)的一組NIMS研究人員開(kāi)發(fā)的具有高空穴遷移率的金剛石FET —— 這減少了傳導(dǎo)損耗，提高了運(yùn)行速度。此外，晶體管還表現(xiàn)出正常關(guān)閉的行為：當(dāng)柵極電壓關(guān)閉時(shí)，流過(guò)器件的電流停止。Yamaguchi說(shuō)，這使得它特別適用于故障安全電力電子應(yīng)用。

       研究人員成功的關(guān)鍵在于他們能夠從金剛石的氫封端表面去除電子受體（雜質(zhì)）。氫封端在金剛石表面覆蓋著與外部碳原子結(jié)合的氫原子。當(dāng)表面暴露在空氣中時(shí)，它會(huì)導(dǎo)電，因?yàn)楸砻孓D(zhuǎn)移摻雜是由吸附的空氣受體誘導(dǎo)的。

       Yamaguchi說(shuō)：“世界各地的一些研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)使用氫封端表面和表面轉(zhuǎn)移摻雜來(lái)制造金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管。但所有這些設(shè)備都顯示出非常低的遷移率，僅為鉆石原始空穴遷移率的1%到10%，在許多情況下還具有常開(kāi)行為。”

       他解釋說(shuō)，問(wèn)題在于表面轉(zhuǎn)移摻雜需要金剛石表面的受主態(tài)，但電離受主會(huì)導(dǎo)致載流子散射，從而降低空穴遷移率。表面轉(zhuǎn)移摻雜也使金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管的設(shè)計(jì)和制造不同于標(biāo)準(zhǔn)器件。這些問(wèn)題阻礙了設(shè)備和電路工程師認(rèn)真考慮實(shí)施鉆石場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

       為了克服這一障礙，NIMS團(tuán)隊(duì)使用單晶六角氮化硼（h-BN）作為柵極絕緣體，而不是像氧化鋁這樣的氧化物。此外，他們還設(shè)計(jì)了一種新的制造方法，防止設(shè)備暴露在空氣中。首先，研究人員使用氫等離子體在化學(xué)氣相沉積室中氫化金剛石表面。然后在真空箱中將基板轉(zhuǎn)移到充滿(mǎn)氬氣的手套箱中，在手套箱中，基板與解理的h-BN薄晶體層壓。

       Yamaguchi表示，結(jié)果是一種“空穴遷移率是使用氧化物柵極絕緣體的傳統(tǒng)FET的五倍，是GaN和SiC p溝道FET的二十倍以上”的FET。他補(bǔ)充說(shuō)，具有高空穴遷移率的FET以較低的電阻工作，從而降低傳導(dǎo)損耗。他解釋道：“因此，通道遷移率增加 20 倍意味著通道中的損耗減少了二十分之一?！?/p>

       這就是好消息。然而，在目前的形式下，該設(shè)備還沒(méi)有準(zhǔn)備好用于實(shí)際用途。例如，它需要添加一個(gè)漂移層，以便能夠承受高電壓。但是添加這樣的層會(huì)增加傳導(dǎo)損耗。

       Yamaguchi表示：“盡管如此，雖然該設(shè)備尚未準(zhǔn)備好用于實(shí)際應(yīng)用，但我們的研究表明，受體對(duì)于誘導(dǎo)氫端金剛石的導(dǎo)電性并不是必需的，正如之前所認(rèn)為的那樣。事實(shí)上，受體密度的降低甚至可以提高遷移率和器件性能?！?/p>

       此外，他說(shuō)，他們的結(jié)果表明，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)鉆石場(chǎng)效應(yīng)晶體管是可能的。他相信，通過(guò)進(jìn)一步的研究，他們可以提高器件性能，并設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的大規(guī)模生產(chǎn)制造方法。他補(bǔ)充說(shuō)，去年10月日本宣布開(kāi)發(fā)2英寸金剛石晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)方法表明，“解決剩余的挑戰(zhàn)不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去”。