金刚石在半导体器件领域的应用

说起“Diamond”给人第一印象是什么？

无疑是高贵优雅，晶莹剔透，尤其对于女性来说钻石是充满诱惑的，正如1948年戴比尔斯经典广告所宣传“The diamond is forever”，又有谁不会注意到钻石的闪光呢。

金刚石被认为世界上最坚硬的物质，这就赋予了其在工业领域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同样，在新型应用领域，金刚石依然十分优秀，在高频大功率器件、光学窗口、高能粒子探测器、量子信息、生物传感器等领域具有巨大的应用潜力。尤其随着微电子行业的发展，在经历了第一代半导体材料锗、硅，第二代半导体材料InP、GaAs，第三代半导体材料SiC、GaN之后，人们逐渐将目光聚焦到具有更大禁带宽度的氧化镓、金刚石、氮化铝等超宽禁带半导体材料上，金刚石半在导体器件领域绽放光芒。

金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。如下表所示，金刚石禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同时，金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度。并且，除了最高硬度以外，金刚石还具有半导体材料中最高的热导率， 为AlN的7.5倍，因此金刚石也被业界称为“终极半导体”材料。在高频、高功率、高温电子器件，核辐射探测器、光电器件、微机电系统（MEMS）等领域表现出巨大的应用潜力。正是这些闪光点，让它在众多半导体器件材料中脱颖而出。

场效应晶体管(Field Effect Transistor, FET)，是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，主要有两种类型：结型场效应管(JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(MOS-FET)。

金刚石材料在半导体领域应用的关键在于实现有效的半导体掺杂。目前，金刚石掺杂常用的p型和n型掺杂剂，即硼（B）和磷（P）的激活能都较高，室温下难以应用，这严重阻碍了金刚石在半导体电子器件中的应用。但在使用氢等离子对金刚石表面进行处理并暴露在空气中后，金刚石表面能够形成一层二维空穴气（2DHG）导电层，导电层的载流子浓度在1012~1014 cm-2之间，迁移率在几十到200 cm2/Vs之间。正是氢终端金刚石表面2DHG的发现，极大地促进了金刚石在半导体器件中的应用。目前基于氢终端表面的金刚石已经实现了高性能的场效应晶体管器件。

MEMS (Mico Electro Mechanical System)

MEMS是一种机械电气性能优良的器件，它集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，可以通过微型化、集成化制成元件和系统以实现新原理、新功能的探索。这将开辟一个新技术领域，主要涵盖传感、生物、光学、频射四大领域。

MEMS技术是一个新兴技术领域，主要属于微米技术范畴。MEMS技术已经经历了十多年时间的发展，已能够基于现有技术，用由大到小的技术途径制作、发展出一批新的集成器件，大大提高器件的功能和效率，显示出了巨大的生命力。MEMS技术的发展有可能如同微电子技术一样，对科学技术和人类生活产生革命性的影响。

金刚石是一种极具魅力的纳米微机电系统材料，在半导体领域具有极其重要的地位。因此，《2019第四届国际碳材料大会暨产业展览会》金刚石论坛特邀日本国立物质材料研究所副所长Yasuo Koide教授于11月26-29日在上海与您面对面交流“金刚石场效应晶体管与MEMS器件研究进程”，详细讨论金刚石在半导体器件的发展，揭开金刚石的神秘面纱。

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