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近期，美國國家材料科學研究所（NIMS）團隊研發(fā)了世界上第一個基于金剛石n型溝道驅動的金屬氧化膜半導體場效應晶體管（MOSFET）。該成果對于以普通電子器件IC為代表的單片集成化（在一個半導體基板內集成多個器件），實現(xiàn)其耐環(huán)境型互補式金屬氧化膜半導體（CMOS）集成電路。該研究進展以“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中的應用邁出重要的一步提供了證據。
CMOS是什么？
據了解，互補金屬氧化物半導體（CMOS）是計算機芯片中最流行的技術之一，1963年由薩支唐首次提出。CMOS工藝技術是當今集成電路制造的主流技術，99% 的 IC 芯片，包括大多數數字、模擬和混合信號IC，都是使用 CMOS 技術制造的。這一制造工藝的最大特點就是低功耗，此外還具有速度快、抗干擾能力強、集成密度高、封裝成本逐漸降低等優(yōu)點。
CMOS技術是將NMOS和PMOS晶體管集成在同一個IC上的技術。在CMOS電路中，NMOS和PMOS晶體管是互相補充的關系，即當一個導通時，另一個關閉。這也就涉及到P型半導體和N型半導體。
?金剛石半導體的P型與N型?
金剛石半導體具有超寬禁帶(5.45 eV)、高擊穿場強(10 MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導率(22 W/cm·K)等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質因子(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”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發(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，金剛石半導體被公認為是最具前景的新型半導體材料，被業(yè)界譽為“終極半導體材料”。
高品質輕度磷摻雜n型金剛石外延層
近年來，隨著金剛石生長技術、電力電子、自旋電子學和可在高溫和強輻射條件下運行的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的發(fā)展，對基于金剛石CMOS器件的外圍電路進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型半導體工藝相對成熟，但金剛石的N型摻雜，這是一個世界性難題。
多年來，眾多研究者從理論計算和實驗上尋找有利于獲得低電阻率ｎ型金剛石的雜質元素和摻雜方法，都沒有獲得良好的效果。很大原因在于以前大多數的研究是基于硅單晶摻雜理論，主要的雜質元素有氮、磷、硫、鋰等，通過在生長過程中或采用離子注入方法使各種雜質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雜質，室溫激活能為1.7 eV，就很難在室溫電離出足夠的載流子；磷的能級雖然稍微淺一點，但它在室溫的導電載流子的能力也不是很強，磷進入金剛石以后，很容易和空位復合，形成磷-空位結，它的電子就不容易被釋放出來。迄今為止，還沒有找到一個比較合適的施主雜質。從這個角度講，發(fā)展一種新的摻雜理論，是當務之急。
NIMS：世界首個用于CMOS集成電路的N溝道金剛石場效應晶體管?
全球首款用于CMOS集成電路的N溝道金剛石場效應晶體管
此次，NIMS的研究團隊以世界首創(chuàng)的高品質單晶體n型金剛石半導體生長技術為基礎，開發(fā)出n型溝道金剛石MOSFET。成功實現(xiàn)了摻雜低濃度磷、具有原子尺度平坦平臺（Terrace）的高質量n型金剛石的晶體成長。將該晶體用于溝道層的MOSFET結構，通過使用高濃度磷摻雜的金剛石作為源極和漏極的接觸層，大大降低了接觸電阻，確認了n型溝道的晶體管特性。作為晶體管性能的重要指標，場效應移遷移率在300℃時顯示出約150cm2/V·sec的高數值，確認了其出色的高溫工作特性。這一成果有望促進CMOS集成電路開發(fā)用于在惡劣環(huán)境下制造高效能電力電子器件、自旋電子器件和（MEMS）傳感器。??
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