金刚石作为超宽禁带半导体（带隙约5.5 eV），凭借高击穿场强、高载流子迁移率及极高热导率的优异特性，被公认为潜在的“终极半导体”。然而，其本征材料难以通过传统掺杂实现有效导电，尤其是n型掺杂困难、p型激活能偏高的问题，严重制约了金刚石器件的产业化发展。氢终止表面技术为这一困境提供了全新解决方案——无需体掺杂，仅通过表面化学作用与界面电荷转移，即可实现金刚石p型导电。

近期，山东大学新一代半导体材料研究院团队在《Diamond & Related Materials》期刊发表题为“Hydrogen-terminated diamond 2DHG: Formation mechanisms, interface engineering, and device applications—A review”的综述论文，系统梳理了氢终止金刚石表面二维空穴气（2DHG）的形成机制、界面调控方法，以及其在各类器件中的应用进展，为该领域的后续研究提供了全面参考。

01 二维空穴气（2DHG）的形成机制

氢等离子体处理可有效钝化金刚石表面悬挂键，形成稳定的氢终止表面，并赋予其负电子亲和势（NEA）。这一特性源于C–H键的偶极矩效应：碳原子带有部分负电荷，这种表面电子结构可促进表面附近空穴的积累，为2DHG的形成奠定基础。

综述系统归纳了四种主流的2DHG形成模型，各模型并非完全互斥，实际作用效果取决于表面制备工艺与所处环境条件：

• 自发极化模型：C–H偶极有序排列形成界面电场，引发向上的能带弯曲，最终导致空穴在表面积累；
• 转移掺杂模型（由Maier等人提出）：单纯氢终止无法形成稳定2DHG，需空气中吸附的受主物种（如氧、氮相关分子）从金刚石价带捕获电子，从而留下可移动空穴；
• 界面负电荷模型：Al₂O₃等介质可通过在价带边附近俘获负电荷，诱导2DHG的形成；
• 固态受主模型（基于第一性原理计算）：界面负价态可驱动自洽的向上能带弯曲，进而催生2DHG。
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此外，当界面质量达到较高水平时，由强界面电场与反演对称性破缺引发的Rashba型自旋-轨道耦合，有望为金刚石在自旋电子学领域的应用提供重要支撑。

02 影响2DHG性能的关键因素

氢终止金刚石的表面输运特性对多种参数高度敏感，核心影响因素主要包括以下几方面：

2.1 晶体取向与氢化条件

晶体取向直接影响C–H键密度与偶极强度：相同条件下，(111)和(110)晶面的空穴密度通常高于(100)晶面，但由于(100)晶面的外延生长与加工工艺更为成熟，仍是目前工业应用中的主流选择。氢化条件（以微波等离子体CVD为例，温度约850–900 °C、处理时间约30分钟、采用高纯氢气）直接决定氢终止质量、表面粗糙度及残余杂质含量；若在等离子体中引入少量碳源，可通过有限同质外延进一步提升表面平整度与载流子迁移率。

2.2 环境气氛与热稳定性

环境气氛对2DHG的导电性起决定性作用：暴露于空气时，水分子与NO₂、O₃等强电子受主的吸附共同促成导电；在纯水或惰性气氛中，导电性微弱甚至消失；真空退火会导致受主物种解吸，进而使2DHG消失。无保护条件下，2DHG的热稳定性有限，温度超过200–300 °C时，受主物种会显著解吸，影响其导电性能。

2.3 界面修饰与固态受主层

通过原子层沉积（ALD）技术引入Al₂O₃、V₂O₅、MoO₃、WO₃等高功函数氧化物作为固态受主层，可显著提升2DHG的空穴密度与热稳定性，部分结构可将器件稳定工作温度扩展至300–400 °C。这类固态覆盖层可取代易挥发的空气吸附层，同时降低界面态密度，改善器件阈值电压的可控性。

03 2DHG的器件应用进展

目前，氢终止金刚石2DHG已成功应用于紫外光探测器、功率电子器件及射频晶体管三大领域，展现出广阔的应用前景：

3.1 紫外光探测器

在太阳盲深紫外探测领域（吸收边约225–280 nm），氢终止技术有助于实现高增益光电导结构与低暗电流肖特基光电二极管，部分器件的响应时间可达纳秒级，且具备优异的光暗电流比；基于栅控结构的光晶体管，进一步提升了探测器的动态范围，满足更高精度的探测需求。

3.2 功率电子器件

基于2DHG的常关型MESFET和MOSFET，利用表面沟道实现了数千伏的击穿电压与可观的电流密度；采用2DHG作为沟道的横向肖特基势垒二极管，击穿电压可突破4600 V。凭借金刚石极高的Baliga优值，其在高压功率应用领域具备与SiC、GaN竞争的核心潜力。

3.3 射频器件

以2DHG为沟道的表面沟道FET，截止频率（f_T）已达70 GHz，最大振荡频率（f_max）接近164 GHz，在1–3 GHz频段的输出功率密度可达数W/mm；H-金刚石/h-BN异质结构的构建，进一步提升了载流子迁移率，并实现了无需依赖吸附物掺杂的高开关比，为射频器件的性能优化提供了新路径。

04 图文导读

图1. 本文的结构

图2. 不同端面表面的化学键组成与电子亲和力

05 结论与展望

该综述的核心价值的在于，完整串联了“氢终止—界面电荷转移—二维空穴气—器件应用”的逻辑链条，提出了一种区别于传统体掺杂的半导体调控路线——通过表面工程实现载流子的有效调控。从材料层面看，2DHG为金刚石提供了可实际应用的导电机制；从器件层面看，其已支撑紫外探测、功率电子、射频器件实现初步产业化突破。尽管目前仍存在稳定性不足、调控精度有待提升等问题，但2DHG的物理基础与应用潜力已得到充分验证。

未来，该领域的研究重点将集中在界面控制与工程化实现上，推动氢终止表面导电机制从实验室现象向稳定、可靠的器件平台转化，助力金刚石“终极半导体”的产业化落地。

信息来源：未来产链

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