近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體材料成為高功率電子器件的研究熱點(diǎn)。金剛石因其超高的熱導(dǎo)率、寬禁帶特性以及優(yōu)異的電子性能，被認(rèn)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）取得了突破性進(jìn)展，為未來(lái)高功率和高頻應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)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(chǎn)品的新一代金剛石晶體管。

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

       在工藝方面，該團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)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(zhì)量、費(fèi)米能級(jí)未釘扎的界面，從而在施加?xùn)艍汉笮纬筛呙芏鹊目昭ǚe累層。最終，1μm柵極/溝道長(zhǎng)度的器件展現(xiàn)出超過(guò)80 mA/mm的高導(dǎo)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(zhuǎn)移摻雜H-diamond FET。

       金剛石的寬禁帶（~5.5 eV）和高熱導(dǎo)率（>2000 W/m·K）使其成為功率電子和射頻（RF）應(yīng)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(lǐng)域，傳統(tǒng)的SiC和GaN功率器件雖然已被廣泛應(yīng)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(wǎng)）下仍然存在瓶頸。

       H-diamond FET的極端增強(qiáng)型操作特性，使其在功率轉(zhuǎn)換、直流高壓開(kāi)關(guān)等應(yīng)用中具有巨大潛力。與此同時(shí)，在高頻射頻與5G/6G通信領(lǐng)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(shè)備。當(dāng)前5G基站、衛(wèi)星通信以及未來(lái)6G技術(shù)對(duì)更高效的射頻器件需求旺盛，H-diamond FET或能成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

       目前，利用氫終端金剛石研制場(chǎng)效應(yīng)品體管器件已成為微電子領(lǐng)域內(nèi)的重要研究課題。

       日本早稻田大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于等離子體處理的H-diamond FET，改善了界面質(zhì)量，減少了漏電流，提高了器件的耐高溫能力。美國(guó)普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了H-diamond FET在高功率射頻應(yīng)用中的潛力，特別是在毫米波和太赫茲通信領(lǐng)域的應(yīng)用。法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)重點(diǎn)關(guān)注H-diamond FET的量子傳輸特性，并利用低溫實(shí)驗(yàn)探測(cè)了量子效應(yīng)對(duì)FET性能的影響。

       國(guó)內(nèi)對(duì)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(dǎo)體研究所和北京科技大學(xué)合作，在多晶金剛石上制備了柵長(zhǎng)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(guó)內(nèi)首次報(bào)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(guó)外53GHz的最高紀(jì)錄；2019年，研制出國(guó)際首個(gè)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(xué)利用MESFET器件解決了傳統(tǒng)兩端探測(cè)器響應(yīng)度較低的問(wèn)題，實(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)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(fù)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(lái)需進(jìn)一步提升工藝穩(wěn)定性和一致性，以滿足產(chǎn)業(yè)化要求。同時(shí)，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(wèn)題等仍需深入研究。優(yōu)化絕緣層材料（如hBN）和改進(jìn)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(zhì)量單晶金剛石基板的制備和加工。隨著金剛石合成技術(shù)的進(jìn)步，成本下降將進(jìn)一步推動(dòng)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(shù)路徑。通過(guò)積累溝道架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的極端增強(qiáng)型操作，并在閾值電壓、導(dǎo)通電流和載流子遷移率等關(guān)鍵性能上超越了傳統(tǒng)H-diamond FET。盡管產(chǎn)業(yè)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著制造工藝的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，H-diamond FET有望在功率電子、射頻通信等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)邁向新的高度。