近期，美國(guó)國(guó)家材料科學(xué)研究所（NIMS）團(tuán)隊(duì)研發(fā)了世界上第一個(gè)基于金剛石n型溝道驅(qū)動(dòng)的金屬氧化膜半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。該成果對(duì)于以普通電子器件IC為代表的單片集成化（在一個(gè)半導(dǎo)體基板內(nèi)集成多個(gè)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)。

       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(hào)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(gè)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(gè)導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)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(chǎng)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(cè)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”。

高品質(zhì)輕度磷摻雜n型金剛石外延層

       近年來(lái)，隨著金剛石生長(zhǎng)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(duì)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(duì)成熟，但金剛石的N型摻雜，這是一個(gè)世界性難題。

       多年來(lái)，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(méi)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(guò)在生長(zhǎng)過(guò)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(jí)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(jí)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(lái)。迄今為止，還沒(méi)有找到一個(gè)比較合適的施主雜質(zhì)。從這個(gè)角度講，發(fā)展一種新的摻雜理論，是當(dāng)務(wù)之急。

       NIMS：世界首個(gè)用于CMOS集成電路的N溝道金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管