全球首个由钻石基 MOSFET 构成的集成逻辑电路被日本材料科学国家研究所(NIMS)研制成功。这标志着面向极端环境应用开发钻石集成电路的工作,迈出了第一步。
钻石作为半导体材料优点很多:载流子迁移率高、击穿电压高、热传导率高。因此,基于钻石的开关器件或者集成电路在要求严格的高温、高频、高功率应用场景的前景十分光明。然而,钻石基 MOSFET 很难控制门限电压的极性,所以在同一衬底上制造出耗尽型 MOSFET 与增强型 MOSFET 非常困难。
显微镜拍摄的钻石基晶体管集成电路照片
(照片源于 NIMS)
由 Jiangwei Liu 和 Yasuo Koide 领衔的 NIMS 研究组突破了这一局限。他们采用新型门限电压控制技术,从而实现了在同一衬底上制造耗尽型与增强型钻石 MOSFET 的工艺,该研究所已经成功开发出基于钻石的集成电路。
NIMS 研究组在 2012 年即开始用光电子能谱法(photoelectron spectrosopy)研究结合不同氧化钻石与氢化钻石材料的电子结构,克服重重困难后,研究组于 2013 年成功研制出漏电流极低的钻石 MOS 电容和增强型氢化钻石基 MOSFET(E-mode hydrogenated diamond-based MOSFET)。2014 年,研究组用钻石基 MOSFET 和负载电阻搭了一个集成电路的原型。2015 年,研究组制造出增强型与耗尽型 MOSFET,并最终研究清楚了钻石基 MOS 管门限电压控制机制。
经过多年努力,他们终于成功研制出钻石基集成电路。与普通集成电路相比,钻石基集成电路更适合在严苛环境工作,除了前面提到的高温环境,航天航空等高辐射场景也是钻石基集成电路大显身手的领域。
短评:日本在特殊半导体材料研究方面依然领先,钻石基集成电路如果能够产业化,对于碳化硅器件是否会有一定影响?