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       近年来，宽禁带半导体材料成为高功率电子器件的研究热点。金刚石因其超高的热导率、宽禁带特性以及优异的电子性能，被认为是下一代高性能电子器件的理想材料。然而，金刚石器件的实现一直受到掺杂困难、载流子迁移率受限等因素的制约。

       近日，基于氢终端金刚石（H-diamond）的场效应晶体管（FET）取得了突破性进展，为未来高功率和高频应用开辟了新的可能性。英国格拉斯哥大学的研究人员找到了一种新方法，可能有助于创造用于高功率电子产品的新一代金刚石晶体管。

       传统的H-diamond FET主要依赖于转移掺杂机制来形成导电沟道，这种方法虽然可以在室温下实现高载流子密度，但存在一些关键缺陷，如阈值电压较高（通常>-3V）、载流子迁移率受限以及开态电流不足等。通过抑制转移掺杂，研究人员成功构建了基于积累沟道的H-diamond FET，实现了极端增强型操作，并创造了H-diamond FET史上最低的负阈值电压（Vth < -6V），同时保持了较高的导电能力。

       在工艺方面，该团队在氢终端金刚石上沉积了电子束蒸发的Al₂O₃氧化层，以有效抑制转移掺杂的发生，并在器件沟道处形成极高的未栅极化电阻。此外，采用350°C的原位退火处理，使金刚石表面形成高质量、费米能级未钉扎的界面，从而在施加栅压后形成高密度的空穴积累层。最终，1μm栅极/沟道长度的器件展现出超过80 mA/mm的高导通电流，并具备较高的空穴迁移率（110 cm²/Vs），明显优于传统转移掺杂H-diamond FET。

       金刚石的宽禁带（~5.5 eV）和高热导率（>2000 W/m·K）使其成为功率电子和射频（RF）应用的理想材料。相比于目前广泛使用的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）器件，H-diamond FET在高温、高功率环境下表现出更低的功率损耗和更高的耐压能力。例如，在高功率电子器件领域，传统的SiC和GaN功率器件虽然已被广泛应用于电力电子和新能源汽车，但在更高功率和极端环境（如航天、军工、电网）下仍然存在瓶颈。

       H-diamond FET的极端增强型操作特性，使其在功率转换、直流高压开关等应用中具有巨大潜力。与此同时，在高频射频与5G/6G通信领域，H-diamond FET的高载流子迁移率和低损耗特性，使其适用于高频射频功率放大器、毫米波和太赫兹通信设备。当前5G基站、卫星通信以及未来6G技术对更高效的射频器件需求旺盛，H-diamond FET或能成为下一代无线通信系统的关键技术。

       目前，利用氢终端金刚石研制场效应品体管器件已成为微电子领域内的重要研究课题。

       日本早稻田大学的研究团队在2022年利用六方氮化硼（h-BN）作为绝缘层，有效降低了界面陷阱态，提高了空穴迁移率，并首次在H-diamond FET中实现了100 GHz以上的高频操作。澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发了一种基于等离子体处理的H-diamond FET，改善了界面质量，减少了漏电流，提高了器件的耐高温能力。美国普林斯顿大学团队研究了H-diamond FET在高功率射频应用中的潜力，特别是在毫米波和太赫兹通信领域的应用。法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学重点关注H-diamond FET的量子传输特性，并利用低温实验探测了量子效应对FET性能的影响。

       国内对氢终端金刚石FET器件的研究也取得了一系列突破性的成果。2013年河北半导体研究所和北京科技大学合作，在多晶金刚石上制备了栅长2微米的氢终端MESFET，最大电流密度204 mA/mm，电流增益截止频率1.7GHz，这也是国内首次报道金刚石射频器件。2018年，南京电子器件研究所将金刚石射频器件电流增益截至频率大幅度提升至70GHz，打破国外53GHz的最高纪录；2019年，研制出国际首个可在X波段下工作的金刚石微波器件；2020年，所研制的金刚石微波器件在2GHz频率下的输出功率密度突破了1W/mm；2023年，山东大学利用MESFET器件解决了传统两端探测器响应度较低的问题，实现了高性能氢终端金刚石MOSFET器件。

       尽管H-diamond FET展现出了极佳的电子性能，但要实现大规模产业化仍需克服诸多挑战。目前H-diamond FET的制备工艺仍较为复杂，氧化层沉积、表面处理、金属接触优化等环节尚未成熟，未来需进一步提升工艺稳定性和一致性，以满足产业化要求。同时，由于H-diamond FET在极端条件下工作，材料老化、界面稳定性、漏电问题等仍需深入研究。优化绝缘层材料（如hBN）和改进界面工程可能是提高器件可靠性的重要方向。此外，相比SiC和GaN，金刚石基器件的制造成本仍然较高，主要受限于高质量单晶金刚石基板的制备和加工。随着金刚石合成技术的进步，成本下降将进一步推动H-diamond FET的商业化。

       氢终端金刚石FET的最新突破，为高功率、高频电子器件提供了一种全新的技术路径。通过积累沟道架构，实现了前所未有的极端增强型操作，并在阈值电压、导通电流和载流子迁移率等关键性能上超越了传统H-diamond FET。尽管产业化仍面临诸多挑战，但随着制造工艺的进步和市场需求的增长，H-diamond FET有望在功率电子、射频通信等领域发挥重要作用，推动宽禁带半导体技术迈向新的高度。