全球首款n通道金剛石MOSFET問世_風聞

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

金剛石CMOS集成電路發展邁出了一步。

NIMS 的一個研究小組開發出了世界上第一個 n 通道金剛石 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。這一突破標誌着實現基於金剛石的 CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路邁出了重要一步，使其能夠在極端環境中使用，並推動了基於金剛石的電力電子的發展。

金剛石具有卓越的物理特性，包括 5.5 eV 的超寬帶隙、高載流子遷移率和出色的熱導率。

這些特性使金剛石成為一種非常有前途的材料，可用於極端條件下的高性能、高可靠性應用，例如高温和強輻射（如核反應堆堆芯附近的環境）。

與傳統半導體相比，金剛石電子不僅減少了對複雜熱管理系統的需求，而且還具有更高的能源效率、更高的擊穿電壓耐受性和在惡劣環境下的增強耐用性。

對 Diamond CMOS 集成的需求

另一方面，隨着金剛石生長技術、電力電子、自旋電子學和可在高温和強輻射條件下工作的微機電系統 (MEMS) 傳感器的發展，對基於金剛石 CMOS 器件的外圍電路的需求不斷增加，以實現單片集成。對於 CMOS 集成電路的製造，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET，就像在傳統的硅電子器件中一樣。然而，n 通道金剛石 MOSFET 尚未開發。

（左）金剛石外延層表面形貌的原子力顯微鏡圖像。（中）金剛石 MOSFET 的光學顯微鏡圖像。（右）在 300°C 下測量的 MOSFET 性能。當柵極電壓 (Vg) 從 -20 V（黑線表示）增加到 10 V（黃線表示）時，漏極電流增加。圖片來源：Satoshi Koizumi、Meiyong Liao 國家材料科學研究所

該國立材料科學研究院的研究團隊開發出一種技術，通過在金剛石中摻雜低濃度的磷，在原子水平上生長出具有光滑平坦梯級的高質量單晶n型金剛石半導體（圖左）。利用該技術，該團隊在世界上首次成功製造出n溝道金剛石MOSFET。

設計和性能驗證

該 MOSFET 主要由一個 n 溝道金剛石半導體層和另一個摻雜高濃度磷的金剛石層組成（圖中中間圖）。後者金剛石層的使用顯著降低了源極和漏極接觸電阻。該團隊證實，製造的金剛石 MOSFET 實際上可用作 n 溝道晶體管。

此外，研究團隊還驗證了該MOSFET優異的高温性能，其重要的晶體管性能指標——場效應遷移率在300℃時約為150cm2/V･sec（圖右）。

這些成果有望促進CMOS集成電路的發展，用於製造惡劣環境下的節能電力電子、自旋電子器件和（MEMS）傳感器。

在電動汽車中，基於金剛石的功率電子器件可以實現更高效的功率轉換、延長電池壽命以及縮短充電時間；在電信領域，尤其是在5G及更高級別網絡的部署中，對高頻和高功率器件的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統，包括射頻開關、放大器和發射器；消費電子領域，單晶金剛石基板可以推動更小、更快、更高效的智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備組件的開發，從而帶來新的產品創新，並提高消費電子市場的整體性能。

在其特性優勢和廣闊前景的驅動下，金剛石在半導體產業鏈上的多個環節已經展現出巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體行業的各個關鍵領域，推動技術創新與產業升級。

據悉，目前全球各大芯片公司正加大力度投入研究。報道稱，英偉達率先開展鑽石散熱GPU實驗，性能是普通芯片的三倍；華為也公佈鑽石散熱專利，例如，12月3日其公佈一項名為“一種半導體器件及其製作方法、集成電路、電子設備”的專利，其中涉及到金剛石散熱。

此外，全球首座金剛石晶圓廠明年或量產。西班牙政府近日已獲得歐洲委員會的批准，將向人造金剛石廠商Diamond Foundry提供8100萬歐元的補貼，以支持其在西班牙建造一座金剛石晶圓廠的計劃。該工廠計劃在2025年開始生產單晶金剛石芯片。

據市場調研機構Virtuemarket數據，2023年全球金剛石半導體基材市場價值為1.51億美元，預計到2030年底市場規模將達到3.42億美元，2024年~2030年的預測複合年增長率為12.3%。

*聲明：本文系原作者創作。文章內容系其個人觀點，我方轉載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認同，如有異議，請聯繫後台。