鑽石電晶體突破極限！科學家打造核能級高效能元件

日本物質材料研究機構（NIMS）研究團隊近期取得重大突破，成功開發出全球首個n通道鑽石MOSFET（金氧半導體場效電晶體）。這項技術突破讓鑽石CMOS積體電路的實現更進一步，未來將能應用於極端環境，並推動鑽石功率電子元件的發展。

鑽石作為半導體材料，具備多項優異特性：5.5 eV的超寬能隙、高載子遷移率，以及出色的導熱性。這些特性使鑽石成為極端環境（如高溫、強輻射場域，例如核反應爐核心附近）中，高效能、高可靠性應用的理想選擇。

相較於傳統半導體，鑽石電子元件不僅能簡化複雜的散熱系統設計，還具備更高能源效率、更強的崩潰電壓耐受性，以及更優異的惡劣環境適應能力。隨著鑽石生長技術的進步，可應用於高溫強輻射環境的功率電子、自旋電子元件及微機電系統（MEMS）感測器也持續發展，這使得對鑽石CMOS周邊電路的需求日益增加。

研究團隊開發出一項創新技術，透過摻雜低濃度磷原子，成功在原子級尺度上生長出具有平滑平坦階梯結構的高品質單晶n型鑽石半導體（如左圖所示）。運用這項技術，團隊首次成功製造出n通道鑽石MOSFET。

這款MOSFET主要由兩部分組成：上層是n通道鑽石半導體層，下層則是摻雜高濃度磷的鑽石層（如中圖所示）。下層鑽石層的設計大幅降低了源極和汲極的接觸電阻。經測試確認，這款鑽石MOSFET確實具備n通道電晶體的功能。

特別值得一提的是，團隊在300°C高溫環境下測得約150 cm²/V･s的場效遷移率（如右圖所示），這項重要效能指標證實了該元件優異的高溫工作能力。

這項研究成果將加速開發適用於惡劣環境的CMOS積體電路，為節能功率電子元件、自旋電子裝置及MEMS感測器的製造開闢新途徑。

參考文獻：Meiyong Liao、Huanying Sun與Satoshi Koizumi共同發表於《先進科學》期刊的〈基於n型鑽石的高溫高遷移率金氧半導體場效電晶體〉（2024年1月19日），DOI：10.1002/advs.202306013