金刚石电子器件的应用与优势

金刚石具有极高的硬度和极高的热导率的物理特性，一直以来作为钻头刀具的优选材料；另外，金刚石由碳原子构成，纯净的金刚石是很好的绝缘材料，因此一直以来金刚石被称为绝缘体，随着金刚石掺杂浓度的提高，其导电性变强，甚至如同良导体，现在已被普遍认为是半导体；如今大部分半导体金刚石中掺入的是硼或氦，这种由传统技术制造的半导体导电性能不理想，2006年，法国国家科研中心在含有硼的P型金刚石半导体中掺入氢元素，发现材料转化为一种N型半导体，其导电性比过去高出近10000倍，这是金刚石半导体材料的一个重要进步，为电子元器件的开发提供了新材料。

金刚石作为半导体材料的优势在于它的禁带宽度很宽，达到5.47eV，比Si、SiC、GaN都要高；且具有宽禁带材料特有的优点，临界雪崩击穿电场高、载流子迁移率高、导热性好等。特别是在2002年，J.Isberg等人在《自然》上发表了用化学气相沉积（CVD）技术研制出的人造单晶金刚石，其高载流子迁移率达到4500cm²/V·s。金刚石半导体器件主要是金刚石肖特基势垒二极管（SBD）和金刚石场效应晶体管（MISFET/MOSFET），前者为高功率器件，后者为高频器件。

由于N型金刚石膜的制备技术还不成熟，目前这种器件一般用掺杂浓度较高的P型金刚石膜制备，因此金刚石PN结二极管制备较少，一般为金刚石肖特基二极管。1996年，最早的金刚石SBD诞生，该器件是以金和Si材料的欧姆接触为衬底的P型金刚石肖特基，其整流比在50～500℃时较高，且正向电流密度、临界击穿电场强度都较好。研究表明，正向电流的大小与欧姆接触的金属材料选择有关，随后Vescan、Zimmermann等人先后对其进行了改进，使器件正常运行温度达到1000℃以上，接近金刚石的理论稳定温度，提高了器件的热稳定性。

由SiO₂离子注入天然单晶金刚石制造的MOSFET无论是在饱和电流还是夹断沟道特性方面都表现出了非常完美的性质，但是栅极漏电流和SiO₂堆积在界面状态限制了FET的耐高温特性。(www.xing528.com)

现在设备的小型化趋势，要求FET横向和纵向尺寸都要减小，1981年，Board等人第一次提出了δ-FET。这种器件能最小限度地实现晶体管外观的小型化却依然保证较高的载流子密度。这种结构的δ掺杂层非常薄，仅有几个原子层。空穴在这样窄的δ掺杂层中会向两边的金刚石本征层扩散，这使得在δ掺杂层中电子迁移率比较低，而在未掺杂层中，电子迁移率与金刚石本征层相似，因而该结构的高频特性较好。目前，该器件的结构很多，各有优缺点，但总体来说，这种设计还存在一个共性不足，即如何将各层包括δ掺杂层在内的总体载流子迁移率提高到理论极限值，从而更大地改善频率特性。

从总体上看，金刚石材料半导体器件在高品质的技术、加工和材料研发等方面取得了举足轻重的进步。各种新器件的诞生，都为金刚石半导体器件的产业化提出了可能性。