钻石器件突破极限：科学家揭开新的高性能核级晶体管

金刚石CMOS集成电路的发展又向前迈进了一步。

NIMS的一个研究小组开发了世界上第一个n沟道金刚石MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。这一突破标志着实现基于金刚石的CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路迈出了重要的一步，使其能够在极端环境中使用，并推动了基于金刚石的电力电子技术的发展。

金刚石作为半导体具有优异的物理性能，包括5.5 eV的超宽带隙、高载流子迁移率和优异的导热性。这些特性使金刚石成为在极端条件下高性能、高可靠性应用的极具前景的材料，如高温和强辐射，如核反应堆堆芯附近。

与传统半导体相比，金刚石电子产品不仅减少了对复杂热管理系统的需求，而且还提供更高的能源效率，更高的击穿电压耐受性，以及在恶劣环境下的耐用性。

金刚石CMOS集成的需求

另一方面，随着金刚石生长技术、可在高温强辐射条件下工作的电力电子、自旋电子和微机电系统（MEMS）传感器的发展，基于金刚石CMOS器件的外围电路的单片集成需求增加。为了制造CMOS集成电路，需要p型和n型沟道MOSFET，就像在传统的硅电子产品中一样。然而，n沟道金刚石MOSFET尚未开发。

NIMS研究组开发了一种技术，通过在金刚石中掺入低浓度的磷，在原子水平上生长出光滑平坦的高质量单晶n型金刚石半导体（上图左图）。利用该技术，该团队在世界上首次成功制造了n沟道金刚石MOSFET。

设计和性能验证

该MOSFET主要由n沟道金刚石半导体层在另一层掺杂高浓度磷的金刚石层上组成（上图中图）。后一层金刚石的使用显著降低了源极和漏极接触电阻。该团队证实，制造的金刚石MOSFET实际上具有n沟道晶体管的功能。

此外，该团队验证了MOSFET的优异高温性能，如其场效应迁移率（一个重要的晶体管性能指标）所示，在300°C时约为150 cm2/V / sec（上图右图）。

这些成果有望促进CMOS集成电路的发展，用于在恶劣环境下制造节能电力电子产品、自旋电子器件和（MEMS）传感器。

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