全球首款n通道金刚石MOSFET问世

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

金刚石CMOS集成电路发展迈出了一步。

NIMS 的一个研究小组开发出了世界上第一个 n 通道金刚石 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的发展。

金刚石具有卓越的物理特性，包括 5.5 eV 的超宽带隙、高载流子迁移率和出色的热导率。

这些特性使金刚石成为一种非常有前途的材料，可用于极端条件下的高性能、高可靠性应用，例如高温和强辐射（如核反应堆堆芯附近的环境）。

与传统半导体相比，金刚石电子不仅减少了对复杂热管理系统的需求，而且还具有更高的能源效率、更高的击穿电压耐受性和在恶劣环境下的增强耐用性。

对 Diamond CMOS 集成的需求

另一方面，随着金刚石生长技术、电力电子、自旋电子学和可在高温和强辐射条件下工作的微机电系统 (MEMS) 传感器的发展，对基于金刚石 CMOS 器件的外围电路的需求不断增加，以实现单片集成。对于 CMOS 集成电路的制造，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET，就像在传统的硅电子器件中一样。然而，n 通道金刚石 MOSFET 尚未开发。

（左）金刚石外延层表面形貌的原子力显微镜图像。（中）金刚石 MOSFET 的光学显微镜图像。（右）在 300°C 下测量的 MOSFET 性能。当栅极电压 (Vg) 从 -20 V（黑线表示）增加到 10 V（黄线表示）时，漏极电流增加。图片来源：Satoshi Koizumi、Meiyong Liao 国家材料科学研究所

该国立材料科学研究院的研究团队开发出一种技术，通过在金刚石中掺杂低浓度的磷，在原子水平上生长出具有光滑平坦梯级的高质量单晶n型金刚石半导体（图左）。利用该技术，该团队在世界上首次成功制造出n沟道金刚石MOSFET。

设计和性能验证

该 MOSFET 主要由一个 n 沟道金刚石半导体层和另一个掺杂高浓度磷的金刚石层组成（图中中间图）。后者金刚石层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 实际上可用作 n 沟道晶体管。

此外，研究团队还验证了该MOSFET优异的高温性能，其重要的晶体管性能指标——场效应迁移率在300℃时约为150cm2/V･sec（图右）。

这些成果有望促进CMOS集成电路的发展，用于制造恶劣环境下的节能电力电子、自旋电子器件和（MEMS）传感器。

在电动汽车中，基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能，支持下一代通信系统，包括射频开关、放大器和发射器；消费电子领域，单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发，从而带来新的产品创新，并提高消费电子市场的整体性能。

在其特性优势和广阔前景的驱动下，金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极及量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。

据悉，目前全球各大芯片公司正加大力度投入研究。报道称，英伟达率先开展钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍；华为也公布钻石散热专利，例如，12月3日其公布一项名为“一种半导体器件及其制作方法、集成电路、电子设备”的专利，其中涉及到金刚石散热。

此外，全球首座金刚石晶圆厂明年或量产。西班牙政府近日已获得欧洲委员会的批准，将向人造金刚石厂商Diamond Foundry提供8100万欧元的补贴，以支持其在西班牙建造一座金刚石晶圆厂的计划。该工厂计划在2025年开始生产单晶金刚石芯片。

据市场调研机构Virtuemarket数据，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元，2024年~2030年的预测复合年增长率为12.3%。

*声明：本文系原作者创作。文章内容系其个人观点，我方转载仅为分享与讨论，不代表我方赞成或认同，如有异议，请联系后台。