钻石做晶体管 未来似乎一片光明
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NIMS/NATURE ELECTRONICS
James Bond小说的作者Ian Flemin曾写道，钻石可能是永恒的。但在工程师的角度来看，其或将永远处于实用半导体材料的边缘。尽管这种材料具有优点——比竞争对手的碳化硅和氮化镓（GaN）更宽的带隙，优良的热传导，以及在比硅钻石的缺点高得多的温度和电压下工作的能力，但金刚石的劣势使材料的大部分闪光黯然失色。
成本是一个明显的障碍。与硅相比，碳化硅的价格是硅的30到40倍，而氮化镓的价格是硅的650到1300倍。用于半导体研究的人造金刚石材料的价格约为硅的10000倍。另一个问题是小尺寸的金刚石晶片，最大的商用尺寸小于10平方毫米。使用离子注入掺杂该材料是困难的，并且该材料的电荷载流子活化在室温下变得效率较低。
位于筑波（东京东北50公里）的日本国家材料科学研究所（NIMS）首席研究员Takahide Yamaguchi说：“由于存在这些缺点，在半导体器件中使用金刚石一直是一个挑战。”Takahide Yamaguchi是去年12月发表的一篇关于自然电子学中金刚石场效应晶体管（FET）的论文的通讯作者。“尽管我们还没有克服这些问题，但我们已经证明，使用这种材料可以促进低损耗功率转换和高速通信等应用的金刚石器件的开发，取得了有希望的结果。”
Yamaguchi指的“有希望的结果”是包括他自己在内的一组NIMS研究人员开发的具有高空穴迁移率的金刚石FET —— 这减少了传导损耗，提高了运行速度。此外，晶体管还表现出正常关闭的行为：当栅极电压关闭时，流过器件的电流停止。Yamaguchi说，这使得它特别适用于故障安全电力电子应用。
研究人员成功的关键在于他们能够从金刚石的氢封端表面去除电子受体（杂质）。氢封端在金刚石表面覆盖着与外部碳原子结合的氢原子。当表面暴露在空气中时，它会导电，因为表面转移掺杂是由吸附的空气受体诱导的。
Yamaguchi说：“世界各地的一些研发项目已经使用氢封端表面和表面转移掺杂来制造金刚石场效应晶体管。但所有这些设备都显示出非常低的迁移率，仅为钻石原始空穴迁移率的1%到10%，在许多情况下还具有常开行为。”
他解释说，问题在于表面转移掺杂需要金刚石表面的受主态，但电离受主会导致载流子散射，从而降低空穴迁移率。表面转移掺杂也使金刚石场效应晶体管的设计和制造不同于标准器件。这些问题阻碍了设备和电路工程师认真考虑实施钻石场效应晶体管。
为了克服这一障碍，NIMS团队使用单晶六角氮化硼（h-BN）作为栅极绝缘体，而不是像氧化铝这样的氧化物。此外，他们还设计了一种新的制造方法，防止设备暴露在空气中。首先，研究人员使用氢等离子体在化学气相沉积室中氢化金刚石表面。然后在真空箱中将基板转移到充满氩气的手套箱中，在手套箱中，基板与解理的h-BN薄晶体层压。
Yamaguchi表示，结果是一种“空穴迁移率是使用氧化物栅极绝缘体的传统FET的五倍，是GaN和SiC p沟道FET的二十倍以上”的FET。他补充说，具有高空穴迁移率的FET以较低的电阻工作，从而降低传导损耗。他解释道：“因此，通道迁移率增加 20 倍意味着通道中的损耗减少了二十分之一。”
这就是好消息。然而，在目前的形式下，该设备还没有准备好用于实际用途。例如，它需要添加一个漂移层，以便能够承受高电压。但是添加这样的层会增加传导损耗。
Yamaguchi表示：“尽管如此，虽然该设备尚未准备好用于实际应用，但我们的研究表明，受体对于诱导氢端金刚石的导电性并不是必需的，正如之前所认为的那样。事实上，受体密度的降低甚至可以提高迁移率和器件性能。”
此外，他说，他们的结果表明，使用标准设计开发钻石场效应晶体管是可能的。他相信，通过进一步的研究，他们可以提高器件性能，并设计出一种实用的大规模生产制造方法。他补充说，去年10月日本宣布开发2英寸金刚石晶圆的大规模生产方法表明，“解决剩余的挑战不会永远持续下去”。
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