学术前沿| 金刚石半导体：高压器件、高效抛光与异质结新进展

“本期将聚焦金刚石，精选7篇发表于《Applied Physics Letters》《Carbon》等顶刊的最新论文。内容涵盖高压功率器件、表面终端化、超精密抛光、异质结光电探测及新型逻辑器件，为您呈现金刚石从材料制备到器件应用的全链条创新动态。”

本期推出由北京科技大学刘金龙研究员精心整理。

索引

1. 击穿电压超过 1.7 kV 的常关型掺硼金刚石 MOSFET

2. 用于电子器件的金刚石催化增强热氢终端化

3. 基于氢离子注入辅助的新型单晶金刚石高效优质机械抛光方法

4. 金刚石/ε-Ga2O3 超宽禁带 pn 异质结：实现自供电日盲光电探测与高温稳定运行

5. 基于氢终端金刚石/二硫化钼异质结的高性能反双极晶体管

6. 垂直型金刚石肖特基势垒二极管：具有 700 V 击穿电压，功率品质因数达 30.5 MW·cm-2

7. 用于高压金刚石肖特基势垒二极管的低/高介电常数双叠层场板结构

#1

击穿电压超过 1.7 kV 的常关型掺硼金刚石 MOSFET

近日，日本国立材料科学研究所 J. Liu 研究团队在金刚石场效应晶体管方面取得重要进展。通过在金刚石外延层上制备掺硼金刚石（B-金刚石）层，并获得了击穿电压超过 1.7 kV 的金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。相关研究成果以“Normally-off boron-doped diamond MOSFETs with a breakdown voltage over 1.7 kV”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

本研究在 150 nm 厚的金刚石外延层上制备了 B-金刚石 MOSFET，其阈值电压为 −8.0 V，表明具有正常关断行为。硼掺杂剂由于具有高的活化能和相对较薄的外延层，在 B-金刚石中形成了有限数量的空穴，并可能被限制在 Al2O3/B-金刚石界面内，导致 B-金刚石 MOSFET 中观察到正常关断行为。研究发现，B-金刚石 MOSFET 的绝对击穿电压超过 1.7 kV。当除以栅极-漏极长度 11.3 μm 时，击穿场强为 1.52 MV/cm，是以往 B-金刚石 MOSFET 击穿场强的两倍多。

文章信息：

J. Liu, T. Teraji, B. Da, et al. Normally-off boron-doped diamond MOSFETs with a breakdown voltage over 1.7 kV. Appl. Phys. Lett., 2025, 127(4): 04260.

DOI: https://doi.org/10.1063/5.0278392

#2

用于电子器件的金刚石催化增强热氢终端化

近日，英国格拉斯哥大学 Chunlin Qu 研究团队在氢终端金刚石表面改性领域取得重要进展。该团队提出一种催化增强热氢终端化新方法，以低氢浓度的氢氩混合气为氢源，利用钯（Pd）、铂（Pt）金属薄膜的氢溢流效应，在真空热处理条件下实现了单晶金刚石表面高效氢化。研究证实，900 ℃ 脱气 2 h + 500 ℃ 溢流处理 12 h 为最优工艺，可获得最低 11.3 kΩ/□ 的表面方块电阻，且处理后金刚石表面粗糙度几乎不变，有效避免了传统等离子体氢化带来的表面粗化问题。该方法无需纯氢气源与专用等离子体设备，为金刚石电子器件的低成本、高质量氢终端制备提供了全新的技术路线。相关研究成果以“Catalytic-enhanced thermal hydrogen-termination of diamond for electronic applications”为题发表在Diamond & Related Materials上。

摘要：

本研究提出了一种单晶 (100) 金刚石表面氢终端化的新方法，采用低氢浓度的氢氩混合气（5%H2：95%Ar）为氢源，结合 Pt、Pd 薄膜催化增强热氢终端化。通过电学表征与接触角润湿测试，证成功得到了金刚石表面氢终端。在空气环境下，经表面转移掺杂后，金刚石表面方块电阻低至 11.3 kΩ/□，同时接触角可达 90°，表现出氢终端金刚石典型的疏水性。本研究提出的新方法无需纯氢气源与专用等离子体设备，是一种简便易行、可实现高导电性金刚石表面氢终端的工艺方案。

文章信息：

C. L. Qu, I. Maini, J. Y. Zhang, et al. Catalytic-enhanced thermal hydrogen-termination of diamond for electronic applications. Diamond Relat. Mater., 2025, 154: 112225.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.112225

#3

基于氢离子注入辅助的新型单晶金刚石高效优质机械抛光方法

近日，西南交通大学肖晨教授、石鹏飞助理研究员和王杨教授研究团队在单晶金刚石超精密抛光领域取得重要进展。该团队提出一种基于氢离子注入辅助的新型单晶金刚石高效优质机械抛光方法，通过氢离子注入在金刚石近表面形成约 700 nm 深的非晶改性层，显著降低材料去除难度。经机械抛光后，材料去除率由 410.4 nm/h 提升至约 804.6 nm/h，增幅达 96.1%，同时实现原子级光滑表面（表面粗糙度为 0.42 nm），亚表面损伤层仅约 1 nm。研究结合拉曼光谱（Raman）、X 射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）及分子动力学模拟，解释了氢离子注入诱导非晶化与高效低损抛光的内在机制，为第四代半导体用单晶金刚石的高效超精密加工提供了全新的技术路线。相关研究成果以“A novel high-efficiency and high-quality mechanical polishing method for single-crystal diamond assisted by the hydrogen ion implantation”为题发表在Diamond & Related Materials上。

摘要：

随着第四代半导体的发展，单晶金刚石凭借高导热率等优异性能，在未来芯片应用中展现出巨大潜力。然而，高效抛光仍是其核心技术挑战。本文采用氢离子注入技术对 (100) 晶向单晶金刚石进行预处理，在保证良好表面完整性的同时提升抛光效率。研究表明，氢原子注入深度约为 700 nm，可使金刚石表面发生非晶化，该结构相比原始金刚石更软、更易去除。经 1 h 机械抛光后，氢离子注入预处理使材料去除率从原始金刚石的 410.4 nm/h 提升至约 804.6 nm/h，提升幅度达 96.1%。除抛光效率显著提升外，扫描电子显微镜（SEM）显示抛光表面无明显划痕与凹坑；白光干涉仪与原子力显微镜（20 μm）测得的表面粗糙度分别为 1.52 和 0.42 nm，证实获得原子级光滑表面。Raman、XPS 与 TEM 联合表征表明，机械抛光后氢离子注入产生的非晶层被完全去除，仅残留约 1 nm 的极薄损伤层，获得高质量金刚石表面。综上，经改性与机械抛光后得到的高质量单晶金刚石表面，在满足工业化效率与原子级光滑度需求方面展现出重要应用潜力。

文章信息：

H. Zhang, X. Y. Zhang, J. T. Li, et al. A novel high-efficiency and high-quality mechanical polishing method for single-crystal diamond assisted by the hydrogen ion implantation. Diamond Relat. Mater., 2026, 164: 113499.

DOI: https://doi.org/10.1016/i.diamond.2026.113499

#4

金刚石/ε-Ga2O3 超宽禁带 pn 异质结：实现自供电日盲光电探测与高温稳定运行

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所叶继春研究员、张文瑞研究员研究团队和河南省科学院量子材料与物理研究所林超男助理研究员研究团队合作，在超宽禁带半导体光电探测领域取得重要进展。通过构筑 p 型金刚石与 n 型 ε-Ga2O3 的异质结，成功实现了无需外部电源供电的日盲紫外光电探测。该器件在零偏压下表现出 23 fA 的超低暗电流、超过 106 的光暗电流比、384 mA/W 的响应度及 1013 Jones 量级的探测率，同时具备毫秒级的响应速度和优异的高温稳定性（473 K 下仍保持 102 的光暗电流比）。通过能带工程与界面调控，揭示了 Type-II 异质结中光生载流子的高效分离与输运机制，并成功演示了其在紫外光通信中的应用潜力。该工作为开发高性能、自供电、耐高温的日盲光电探测器提供了新的材料体系和设计思路。相关研究成果以“Ultrawide-bandgap diamond/ε-Ga2O3 pn heterojunction for self-powered solar-blind photodetection and high-temperature operation”为题发表在Carbon上。

摘要：

无需外部电源即可工作的日盲光电探测器在通信、传感和成像等领域具有重要应用需求，但其性能通常受限于较高的暗电流和较低的探测率。本文报道了一种基于 p 型金刚石/n 型 ε-Ga2O3 异质结二极管的自供电日盲光电探测器。该探测器在自供电工作模式下展现出卓越的综合性能，包括低至 23 fA 的暗电流、超过 106 的光暗电流比、384 mA/W 的响应度，以及在 473 K 高温下仍保持 102 光暗电流比的优异热稳定性。此外，该探测器在日盲波段表现出优异的光谱选择性，并具有出色的空间均匀性和长期稳定工作能力。其高性能源于超宽禁带半导体的协同组合及精心设计的 pn 结。该设计确保了 ε-Ga2O3 层内有效的光吸收和载流子收集，同时金刚石对应部分保持了优异的整流特性和热管理能力。凭借微秒级响应时间，该探测器还可以成功应用于快速紫外光通信。这项研究为面向先进光电子学的自供电日盲光电探测器提供了一种新型超宽禁带 pn 异质结设计方案。

文章信息：

J. G. Zhang, J. Y. Liu, D. Y. Han, et al. Ultrawide-bandgap diamond/ε-Ga2O3 pn heterojunction for self-powered solar-blind photodetection and high-temperature operation. Carbon, 2026, 251: 121335.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121335

#5

基于氢终端金刚石/二硫化钼异质结的高性能反双极晶体管

近日，中国科学院金属研究所孙东明研究员、杨兵研究员研究团队，东北大学闫欣教授研究团队与日本名古屋大学 Yutaka Ohno 研究团队合作，在反双极晶体管（AAT）领域取得重要突破。通过构建氢终端金刚石与二硫化钼（MoS2）的垂直异质结通道，成功实现了峰谷电流比（PVR）高达 108 的 AAT，其峰值电压接近 0 V，显著优于以往报道的同类器件。研究揭示了带间隧穿与热发射协同调控的载流子输运机制，并基于该器件进一步演示了可调三值反相器与三值增量器，展现了其在多值逻辑计算中的巨大潜力。该工作为未来低功耗、高信息密度集成电路提供了新的器件架构。相关研究成果以“High-performance anti-ambipolar transistors enabled by hydrogen-terminated diamond/molybdenum disulfide heterostructures”为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。

摘要：

AAT 已成为下一代多值逻辑计算中极具前景的构建单元，这对于克服传统二进制逻辑的局限性、实现更紧凑且功能更丰富的电路架构至关重要。然而，其实际应用一直受到低 PVR 和高工作电压的阻碍。在此，本文报道了一种基于氢终端金刚石与 MoS2 异质结沟道的高性能 AAT。在无栅压条件下，源/漏电极与沟道之间的低能垒使电子和空穴均能有效注入。同时，MoS2 导带与氢终端金刚石价带的能级对齐促进了电子向氢终端金刚石的带间隧穿，从而实现了高开态电流。施加栅压后，能带对齐被破坏，隧穿过程受到抑制，注入势垒升高，从而有效抑制了载流子输运，实现了超低关态电流。因此，该器件实现了高达 108 的 PVR，远超先前报道 AAT 的典型 PVR 值（10~106），且峰值电流出现在栅压接近 0 V 处。本研究克服了 AAT 在 PVR 和峰值电压方面的关键挑战，同时展示了其在多值逻辑计算中的潜力，为未来低功耗集成电路提供了一种新的器件架构。

文章信息：

Y. P. Gao, S. Feng, C. Liu, et al. High-performance anti-ambipolar transistors enabled by hydrogen-terminated diamond/molybdenum disulfide heterostructures. J. Mater. Sci. Technol., 2026, 273: 265-272.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.03.022

#6

垂直型金刚石肖特基势垒二极管：具有 700 V 击穿电压，功率品质因数达 30.5 MW·cm-2

近年来，电子级金刚石外延/体相制备技术取得进展，p 型金刚石肖特基势垒二极管的击穿电压已达数百伏，但传统金刚石肖特基势垒二极管通常需借助场板、保护环等边缘终端结构才能提升击穿电压，工艺复杂度较高。近期，美国佛罗里达大学 Chao-Ching Chiang 研究团队采用无任何边缘终端的简易制备流程，在 p/p+ 型垂直结构金刚石上实现了直径 100 μm 的 Al 基肖特基势垒二极管。该器件在无边缘终端的最简工艺下获得了约 700 V 击穿电压、低导通电阻与纳秒级反向恢复速度，为低成本、高频高压金刚石功率开关器件提供了简洁可行的实现方案。相关研究成果以“700 V breakdown vertical diamond Schottky rectifier with power figure of merit 30.5 MW·cm-2”为题发表在Diamond & Related Materials上。

摘要：

本研究以商用金刚石材料为基底，制备了直径 100 μm 的 Al 基接触垂直型肖特基整流器，制备工艺简单且采用无边缘终端结构。该器件的漂移层为化学气相沉积法生长的 5 μm 厚 p 型单晶金刚石，净受主浓度为 1.3×1016 cm-3，生长在 250 μm 厚、高硼掺杂（3×1020 cm-3）的 7 mm×7 mm 单晶金刚石衬底上。器件的最大反向击穿电压约为 700 V，导通电阻为 16.6 mΩ·cm2，对应的功率品质因数达 30.5 MW/cm2。在 7 mm×7 mm 衬底上制备的 15 个整流器，开启电压范围为 -3.7~-3.0 V，反向恢复时间为 7.6 ns；从 -5 V 正向偏置切换至 100 V 反向偏置时，开关比在 109~1010。该垂直型金刚石整流器是极具应用前景的功率开关器件。

文章信息：

C. C. Chiang, J. S. Li, H. H. Wan, et al. 700 V breakdown vertical diamond Schottky rectifier with power figure of merit 30.5 MW·cm-2. Diamond Relat. Mater., 2025, 152: 111887.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111887

#7

用于高压金刚石肖特基势垒二极管的低/高介电常数双叠层场板结构

金刚石肖特基势垒二极管因边缘电场集中效应而击穿电压偏低，基于掺杂的结终端扩展等技术在金刚石中难以实现。传统单层场板虽能缓解电场集中效应，但高介电常数（k）介质易引发漏电流与隧穿，低 k 介质电场调制能力较弱，难以兼顾高压与低漏电。近期，韩国全北国立大学 Kihyun Kim 研究团队提出低 k/高 k 双叠层场板结构，通过 TCAD 仿真系统优化介质组合与厚度配比，利用 SiO2（低 k、大带隙偏移）抑制漏电流，结合 HfO2（高 k、强电场扩展）实现均匀电场分布。在介质总厚度固定为 100 nm 时，SiO2（50 nm）/HfO2（50 nm）双叠层结构实现最优电场均衡分配，器件击穿电压达到 880 V，为无场板器件的 4 倍，同时保持导通电阻基本不变，功率品质因数显著优于单层场板。该方案无需复杂掺杂工艺，可通过原子层沉积精准制备，为高压、高可靠性金刚石功率二极管提供了通用且高效的场板设计思路。相关研究成果以“Low-k/high-k double stack field plate structures for high-voltage diamond Schottky barrier diodes”为题发表在Micro and Nanostructures上。

摘要：

本文通过优化场板结构，实现了具有高击穿电压的金刚石肖特基势垒二极管。为克服传统单层场板设计的局限，研究人员提出一种结合低 k 与高 k 介质的双叠层场板结构。采用 TCAD 仿真系统分析电场分布与击穿特性，并通过实验结果校准模型来确保仿真可靠性。在介质总厚度固定为 100 nm 时，双叠层场板结构相比单层场板结构，击穿电压与巴利加优值均得到提升。其中，SiO2（50 nm）/HfO2（50 nm）叠层实现了最均匀的电场再分布，获得最优击穿性能（击穿电压达 880 V，是无场板器件的 4 倍）。本研究为金刚石肖特基势垒二极管的可靠场板设计提供了实用性的指导。

文章信息：

I. Kim, D. Lee, H. Lee, et al. Low-k/high-k double stack field plate structures for high-voltage diamond Schottky barrier diodes. Micro and Nanostructures, 2026, 215: 208668.

DOI: https://doi.org/0.1016/j.micrna.2026.208668

编译丨刘金龙

编辑丨刘淑雅

本期编译

刘金龙，博士，北京科技大学研究员，国家重大人才工程青年项目入选者，国家重点研发计划青年科学家项目首席，现任北京科技大学国家卓越工程师学院副院长。任《人工晶体学报》青年编委，中国机械工业学会热处理分会理事。主要从事CVD金刚石制备与功能应用研究，以第一作者/通信作者发表论文50余篇，授权专利50余项，承担国家自然科学基金、国防重点项目等国家级项目20余项，荣获科研与教学省部级奖励5项。

信息来源：人工晶体学报

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。