近年來，寬禁帶半導體材料成為高功率電子器件的研究熱點。金剛石因其超高的熱導率、寬禁帶特性以及優(yōu)異的電子性能，被認為是下一代高性能電子器件的理想材料。然而，金剛石器件的實現(xiàn)一直受到摻雜困難、載流子遷移率受限等因素的制約。

       近日，基于氫終端金剛石（H-diamond）的場效應晶體管（FET）取得了突破性進展，為未來高功率和高頻應用開辟了新的可能性。英國格拉斯哥大學的研究人員找到了一種新方法，可能有助于創(chuàng)造用于高功率電子產品的新一代金剛石晶體管。

       傳統(tǒng)的H-diamond FET主要依賴于轉移摻雜機制來形成導電溝道，這種方法雖然可以在室溫下實現(xiàn)高載流子密度，但存在一些關鍵缺陷，如閾值電壓較高（通常>-3V）、載流子遷移率受限以及開態(tài)電流不足等。通過抑制轉移摻雜，研究人員成功構建了基于積累溝道的H-diamond FET，實現(xiàn)了極端增強型操作，并創(chuàng)造了H-diamond FET史上最低的負閾值電壓（Vth < -6V），同時保持了較高的導電能力。

       在工藝方面，該團隊在氫終端金剛石上沉積了電子束蒸發(fā)的Al?O?氧化層，以有效抑制轉移摻雜的發(fā)生，并在器件溝道處形成極高的未柵極化電阻。此外，采用350°C的原位退火處理，使金剛石表面形成高質量、費米能級未釘扎的界面，從而在施加柵壓后形成高密度的空穴積累層。最終，1μm柵極/溝道長度的器件展現(xiàn)出超過80 mA/mm的高導通電流，并具備較高的空穴遷移率（110 cm2/Vs），明顯優(yōu)于傳統(tǒng)轉移摻雜H-diamond FET。

       金剛石的寬禁帶（~5.5 eV）和高熱導率（>2000 W/m·K）使其成為功率電子和射頻（RF）應用的理想材料。相比于目前廣泛使用的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）器件，H-diamond FET在高溫、高功率環(huán)境下表現(xiàn)出更低的功率損耗和更高的耐壓能力。例如，在高功率電子器件領域，傳統(tǒng)的SiC和GaN功率器件雖然已被廣泛應用于電力電子和新能源汽車，但在更高功率和極端環(huán)境（如航天、軍工、電網）下仍然存在瓶頸。

       H-diamond FET的極端增強型操作特性，使其在功率轉換、直流高壓開關等應用中具有巨大潛力。與此同時，在高頻射頻與5G/6G通信領域，H-diamond FET的高載流子遷移率和低損耗特性，使其適用于高頻射頻功率放大器、毫米波和太赫茲通信設備。當前5G基站、衛(wèi)星通信以及未來6G技術對更高效的射頻器件需求旺盛，H-diamond FET或能成為下一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術。

       目前，利用氫終端金剛石研制場效應品體管器件已成為微電子領域內的重要研究課題。

       日本早稻田大學的研究團隊在2022年利用六方氮化硼（h-BN）作為絕緣層，有效降低了界面陷阱態(tài)，提高了空穴遷移率，并首次在H-diamond FET中實現(xiàn)了100 GHz以上的高頻操作。澳大利亞皇家墨爾本理工大學開發(fā)了一種基于等離子體處理的H-diamond FET，改善了界面質量，減少了漏電流，提高了器件的耐高溫能力。美國普林斯頓大學團隊研究了H-diamond FET在高功率射頻應用中的潛力，特別是在毫米波和太赫茲通信領域的應用。法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學重點關注H-diamond FET的量子傳輸特性，并利用低溫實驗探測了量子效應對FET性能的影響。

       國內對氫終端金剛石FET器件的研究也取得了一系列突破性的成果。2013年河北半導體研究所和北京科技大學合作，在多晶金剛石上制備了柵長2微米的氫終端MESFET，最大電流密度204 mA/mm，電流增益截止頻率1.7GHz，這也是國內首次報道金剛石射頻器件。2018年，南京電子器件研究所將金剛石射頻器件電流增益截至頻率大幅度提升至70GHz，打破國外53GHz的最高紀錄；2019年，研制出國際首個可在X波段下工作的金剛石微波器件；2020年，所研制的金剛石微波器件在2GHz頻率下的輸出功率密度突破了1W/mm；2023年，山東大學利用MESFET器件解決了傳統(tǒng)兩端探測器響應度較低的問題，實現(xiàn)了高性能氫終端金剛石MOSFET器件。

       盡管H-diamond FET展現(xiàn)出了極佳的電子性能，但要實現(xiàn)大規(guī)模產業(yè)化仍需克服諸多挑戰(zhàn)。目前H-diamond FET的制備工藝仍較為復雜，氧化層沉積、表面處理、金屬接觸優(yōu)化等環(huán)節(jié)尚未成熟，未來需進一步提升工藝穩(wěn)定性和一致性，以滿足產業(yè)化要求。同時，由于H-diamond FET在極端條件下工作，材料老化、界面穩(wěn)定性、漏電問題等仍需深入研究。優(yōu)化絕緣層材料（如hBN）和改進界面工程可能是提高器件可靠性的重要方向。此外，相比SiC和GaN，金剛石基器件的制造成本仍然較高，主要受限于高質量單晶金剛石基板的制備和加工。隨著金剛石合成技術的進步，成本下降將進一步推動H-diamond FET的商業(yè)化。

       氫終端金剛石FET的最新突破，為高功率、高頻電子器件提供了一種全新的技術路徑。通過積累溝道架構，實現(xiàn)了前所未有的極端增強型操作，并在閾值電壓、導通電流和載流子遷移率等關鍵性能上超越了傳統(tǒng)H-diamond FET。盡管產業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著制造工藝的進步和市場需求的增長，H-diamond FET有望在功率電子、射頻通信等領域發(fā)揮重要作用，推動寬禁帶半導體技術邁向新的高度。