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近期，美国国家材料科学研究所（NIMS）团队研发了世界上第一个基于金刚石n型沟道驱动的金属氧化膜半导体场效应晶体管（MOSFET）。该成果对于以普通电子器件IC为代表的单片集成化（在一个半导体基板内集成多个器件），实现其耐环境型互补式金属氧化膜半导体（CMOS）集成电路。该研究进展以“High-Temperature and High-Electron Mobility Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors Based on N-Type Diamond”为题发表在Advanced Science上。这也为金刚石在功率电子学中的应用迈出重要的一步提供了证据。
CMOS是什么？
据了解，互补金属氧化物半导体（CMOS）是计算机芯片中最流行的技术之一，1963年由萨支唐首次提出。CMOS工艺技术是当今集成电路制造的主流技术，99% 的 IC 芯片，包括大多数数字、模拟和混合信号IC，都是使用 CMOS 技术制造的。这一制造工艺的最大特点就是低功耗，此外还具有速度快、抗干扰能力强、集成密度高、封装成本逐渐降低等优点。
CMOS技术是将NMOS和PMOS晶体管集成在同一个IC上的技术。在CMOS电路中，NMOS和PMOS晶体管是互相补充的关系，即当一个导通时，另一个关闭。这也就涉及到P型半导体和N型半导体。
金刚石半导体的P型与N型
金刚石半导体具有超宽禁带(5.45 eV)、高击穿场强(10 MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(22 W/cm·K)等材料特性，以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。尤其是在高温和高辐射（例如靠近核反应堆堆芯）等极端环境条件下具有很高的性能和可靠性。因此，金刚石半导体被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。
高品质轻度磷掺杂n型金刚石外延层
近年来，随着金刚石生长技术、电力电子、自旋电子学和可在高温和强辐射条件下运行的微机电系统（MEMS）传感器的发展，对基于金刚石CMOS器件的外围电路进行单片集成的需求也在增加。为了利用金刚石优异性能，实现环境稳定性出色的控制系统的集成电路，高功能化CMOS受到期待。为制造CMOS集成电路，这就需要p型和n型沟道MOSFET。
目前，金刚石P型半导体工艺相对成熟，但金刚石的N型掺杂，这是一个世界性难题。
多年来，众多研究者从理论计算和实验上寻找有利于获得低电阻率ｎ型金刚石的杂质元素和掺杂方法，都没有获得良好的效果。很大原因在于以前大多数的研究是基于硅单晶掺杂理论，主要的杂质元素有氮、磷、硫、锂等，通过在生长过程中或采用离子注入方法使各种杂质掺入到单晶金刚石或微晶金刚石薄膜中，但掺杂后的薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。比如，氮是金刚石中的深能级杂质，室温激活能为1.7 eV，就很难在室温电离出足够的载流子；磷的能级虽然稍微浅一点，但它在室温的导电载流子的能力也不是很强，磷进入金刚石以后，很容易和空位复合，形成磷-空位结，它的电子就不容易被释放出来。迄今为止，还没有找到一个比较合适的施主杂质。从这个角度讲，发展一种新的掺杂理论，是当务之急。
NIMS：世界首个用于CMOS集成电路的N沟道金刚石场效应晶体管
全球首款用于CMOS集成电路的N沟道金刚石场效应晶体管
此次，NIMS的研究团队以世界首创的高品质单晶体n型金刚石半导体生长技术为基础，开发出n型沟道金刚石MOSFET。成功实现了掺杂低浓度磷、具有原子尺度平坦平台（Terrace）的高质量n型金刚石的晶体成长。将该晶体用于沟道层的MOSFET结构，通过使用高浓度磷掺杂的金刚石作为源极和漏极的接触层，大大降低了接触电阻，确认了n型沟道的晶体管特性。作为晶体管性能的重要指标，场效应移迁移率在300℃时显示出约150cm2/V·sec的高数值，确认了其出色的高温工作特性。这一成果有望促进CMOS集成电路开发用于在恶劣环境下制造高效能电力电子器件、自旋电子器件和（MEMS）传感器。
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