金剛石在半導體器件領域的應用

說起“Diamond”給人第一印象是什么？

無疑是高貴優雅，晶瑩剔透，尤其對于女性來說鉆石是充滿誘惑的，正如1948年戴比爾斯經典廣告所宣傳“The diamond is forever”，又有誰不會注意到鉆石的閃光呢。

金剛石被認為世界上最堅硬的物質，這就賦予了其在工業領域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同樣，在新型應用領域，金剛石依然十分優秀，在高頻大功率器件、光學窗口、高能粒子探測器、量子信息、生物傳感器等領域具有巨大的應用潛力。尤其隨著微電子行業的發展，在經歷了第一代半導體材料鍺、硅，第二代半導體材料InP、GaAs，第三代半導體材料SiC、GaN之后，人們逐漸將目光聚焦到具有更大禁帶寬度的氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導體材料上，金剛石半在導體器件領域綻放光芒。

金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現有的寬禁帶半導體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了最高硬度以外，金剛石還具有半導體材料中最高的熱導率， 為AlN的7.5倍，因此金剛石也被業界稱為“終極半導體”材料。在高頻、高功率、高溫電子器件，核輻射探測器、光電器件、微機電系統（MEMS）等領域表現出巨大的應用潛力。正是這些閃光點，讓它在眾多半導體器件材料中脫穎而出。

場效應晶體管(Field Effect Transistor, FET)，是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件，主要有兩種類型：結型場效應管(JFET)和金屬-氧化物半導體場效應管(MOS-FET)。

金剛石材料在半導體領域應用的關鍵在于實現有效的半導體摻雜。目前，金剛石摻雜常用的p型和n型摻雜劑，即硼（B）和磷（P）的激活能都較高，室溫下難以應用，這嚴重阻礙了金剛石在半導體電子器件中的應用。但在使用氫等離子對金剛石表面進行處理并暴露在空氣中后，金剛石表面能夠形成一層二維空穴氣（2DHG）導電層，導電層的載流子濃度在1012~1014 cm-2之間，遷移率在幾十到200 cm2/Vs之間。正是氫終端金剛石表面2DHG的發現，極大地促進了金剛石在半導體器件中的應用。目前基于氫終端表面的金剛石已經實現了高性能的場效應晶體管器件。

MEMS (Mico Electro Mechanical System)

MEMS是一種機械電氣性能優良的器件，它集中了當今科學技術發展的許多尖端成果，可以通過微型化、集成化制成元件和系統以實現新原理、新功能的探索。這將開辟一個新技術領域，主要涵蓋傳感、生物、光學、頻射四大領域。

MEMS技術是一個新興技術領域，主要屬于微米技術范疇。MEMS技術已經經歷了十多年時間的發展，已能夠基于現有技術，用由大到小的技術途徑制作、發展出一批新的集成器件，大大提高器件的功能和效率，顯示出了巨大的生命力。MEMS技術的發展有可能如同微電子技術一樣，對科學技術和人類生活產生革命性的影響。

金剛石是一種極具魅力的納米微機電系統材料，在半導體領域具有極其重要的地位。因此，《2019第四屆國際碳材料大會暨產業展覽會》金剛石論壇特邀日本國立物質材料研究所副所長Yasuo Koide教授于11月26-29日在上海與您面對面交流“金剛石場效應晶體管與MEMS器件研究進程”，詳細討論金剛石在半導體器件的發展，揭開金剛石的神秘面紗。

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