近日，日本国立材料科学研究所（NIMS）的科研团队取得一项重大成果，他们成功开发出世界上首个n沟道金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），这一突破为制造用于极端环境的金刚石基互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路带来了希望。

金刚石作为一种半导体材料，具有许多优异的物理特性。它拥有高达5.5电子伏特的超宽带隙，载流子迁移率高，导热性也十分出色。这些特性让金刚石在高温、强辐射等极端条件下，成为高性能、高可靠性应用的理想材料，比如在核反应堆核心附近的设备中就大有用武之地。

与传统半导体相比，金刚石电子器件不仅能减少对复杂热管理系统的需求，还更加节能，能承受更高的击穿电压，在恶劣环境下也更耐用。

随着金刚石生长技术以及在高温、强辐射环境下工作的电力电子、自旋电子和微机电系统（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越来越大。就像传统的硅基电子产品一样，制造CMOS集成电路需要p型和n型沟道MOSFET，然而此前n沟道金刚石MOSFET一直未被成功开发出来。

此次NIMS团队通过向金刚石中掺杂低浓度的磷，研发出一种能生长出原子级光滑平整台面的高质量单晶n型金刚石半导体的技术。借助这项技术，他们首次制造出了n沟道金刚石MOSFET。

这个MOSFET主要由一个n沟道金刚石半导体层和其下方一个高浓度磷掺杂的金刚石层构成。下方的金刚石层大幅降低了源极和漏极的接触电阻。研究团队证实，制造出的金刚石MOSFET确实具备n沟道晶体管的功能。

此外，研究团队还验证了该MOSFET出色的高温性能。在300°C的环境下，其场效应迁移率约为150平方厘米/伏·秒，这是衡量晶体管性能的重要指标。

这一成果有望推动用于制造节能电力电子器件、自旋电子器件和MEMS传感器的CMOS集成电路的发展，使其能在恶劣环境下稳定工作。

参考资料：DOI: 10.1002/advs.202306013