金剛石的“高貴”

說起“Diamond”給人第一印象是什么？

無疑是高貴優(yōu)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(jīng)典廣告所宣傳“The diamond is forever”，又有誰不會(huì)注意到鉆石的閃光呢。

金剛石的“閃光點(diǎn)”

金剛石被認(rèn)為世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，這就賦予了其在工業(yè)領(lǐng)域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同樣，在新型應(yīng)用領(lǐng)域，金剛石依然十分優(yōu)秀，在高頻大功率器件、光學(xué)窗口、高能粒子探測器、量子信息、生物傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

尤其隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)歷了第一代半導(dǎo)體材料鍺、硅，第二代半導(dǎo)體材料InP、GaAs，第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料上，金剛石半在導(dǎo)體器件領(lǐng)域綻放光芒。

金剛石憑什么那么強(qiáng)大

金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)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(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時(shí)，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(dǎo)體材料中最高的熱導(dǎo)率， 為AlN的7.5倍，因此金剛石也被業(yè)界稱為“終極半導(dǎo)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。正是這些閃光點(diǎn)，讓它在眾多半導(dǎo)體器件材料中脫穎而出。

表1. 金剛石與其他半導(dǎo)體材料特性總結(jié)

場效應(yīng)晶體管

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

金剛石材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)有效的半導(dǎo)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(yīng)用，這嚴(yán)重阻礙了金剛石在半導(dǎo)體電子器件中的應(yīng)用。

但在使用氫等離子對金剛石表面進(jìn)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(dǎo)電層，導(dǎo)電層的載流子濃度在1012~1014 cm^-2^之間，遷移率在幾十到200 cm ^2^ /Vs之間。

正是氫終端金剛石表面2DHG的發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了金剛石在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。目前基于氫終端表面的金剛石已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高性能的場效應(yīng)晶體管器件。