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       James Bond小說的作者Ian Flemin曾寫道，鉆石可能是永恒的。但在工程師的角度來看，其或將永遠處于實用半導體材料的邊緣。盡管這種材料具有優點——比競爭對手的碳化硅和氮化鎵（GaN）更寬的帶隙，優良的熱傳導，以及在比硅鉆石的缺點高得多的溫度和電壓下工作的能力，但金剛石的劣勢使材料的大部分閃光黯然失色。

       成本是一個明顯的障礙。與硅相比，碳化硅的價格是硅的30到40倍，而氮化鎵的價格是硅的650到1300倍。用于半導體研究的人造金剛石材料的價格約為硅的10000倍。另一個問題是小尺寸的金剛石晶片，最大的商用尺寸小于10平方毫米。使用離子注入摻雜該材料是困難的，并且該材料的電荷載流子活化在室溫下變得效率較低。

       位于筑波（東京東北50公里）的日本國家材料科學研究所（NIMS）首席研究員Takahide Yamaguchi說：“由于存在這些缺點，在半導體器件中使用金剛石一直是一個挑戰。”Takahide Yamaguchi是去年12月發表的一篇關于自然電子學中金剛石場效應晶體管（FET）的論文的通訊作者。“盡管我們還沒有克服這些問題，但我們已經證明，使用這種材料可以促進低損耗功率轉換和高速通信等應用的金剛石器件的開發，取得了有希望的結果。”

       Yamaguchi指的“有希望的結果”是包括他自己在內的一組NIMS研究人員開發的具有高空穴遷移率的金剛石FET —— 這減少了傳導損耗，提高了運行速度。此外，晶體管還表現出正常關閉的行為：當柵極電壓關閉時，流過器件的電流停止。Yamaguchi說，這使得它特別適用于故障安全電力電子應用。

       研究人員成功的關鍵在于他們能夠從金剛石的氫封端表面去除電子受體（雜質）。氫封端在金剛石表面覆蓋著與外部碳原子結合的氫原子。當表面暴露在空氣中時，它會導電，因為表面轉移摻雜是由吸附的空氣受體誘導的。

       Yamaguchi說：“世界各地的一些研發項目已經使用氫封端表面和表面轉移摻雜來制造金剛石場效應晶體管。但所有這些設備都顯示出非常低的遷移率，僅為鉆石原始空穴遷移率的1%到10%，在許多情況下還具有常開行為。”

       他解釋說，問題在于表面轉移摻雜需要金剛石表面的受主態，但電離受主會導致載流子散射，從而降低空穴遷移率。表面轉移摻雜也使金剛石場效應晶體管的設計和制造不同于標準器件。這些問題阻礙了設備和電路工程師認真考慮實施鉆石場效應晶體管。

       為了克服這一障礙，NIMS團隊使用單晶六角氮化硼（h-BN）作為柵極絕緣體，而不是像氧化鋁這樣的氧化物。此外，他們還設計了一種新的制造方法，防止設備暴露在空氣中。首先，研究人員使用氫等離子體在化學氣相沉積室中氫化金剛石表面。然后在真空箱中將基板轉移到充滿氬氣的手套箱中，在手套箱中，基板與解理的h-BN薄晶體層壓。

       Yamaguchi表示，結果是一種“空穴遷移率是使用氧化物柵極絕緣體的傳統FET的五倍，是GaN和SiC p溝道FET的二十倍以上”的FET。他補充說，具有高空穴遷移率的FET以較低的電阻工作，從而降低傳導損耗。他解釋道：“因此，通道遷移率增加 20 倍意味著通道中的損耗減少了二十分之一。”

       這就是好消息。然而，在目前的形式下，該設備還沒有準備好用于實際用途。例如，它需要添加一個漂移層，以便能夠承受高電壓。但是添加這樣的層會增加傳導損耗。

       Yamaguchi表示：“盡管如此，雖然該設備尚未準備好用于實際應用，但我們的研究表明，受體對于誘導氫端金剛石的導電性并不是必需的，正如之前所認為的那樣。事實上，受體密度的降低甚至可以提高遷移率和器件性能。”

       此外，他說，他們的結果表明，使用標準設計開發鉆石場效應晶體管是可能的。他相信，通過進一步的研究，他們可以提高器件性能，并設計出一種實用的大規模生產制造方法。他補充說，去年10月日本宣布開發2英寸金剛石晶圓的大規模生產方法表明，“解決剩余的挑戰不會永遠持續下去”。