金剛石的“高貴”
說起“Diamond”給人第一印象是什么？
無疑是高貴優(yōu)雅，晶瑩剔透，尤其對于女性來說鉆石是充滿誘惑的，正如1948年戴比爾斯經(jīng)典廣告所宣傳“The diamond is forever”，又有誰不會(huì)注意到鉆石的閃光呢。
金剛石的“閃光點(diǎn)”
金剛石被認(rèn)為世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，這就賦予了其在工業(yè)領(lǐng)域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同樣，在新型應(yīng)用領(lǐng)域，金剛石依然十分優(yōu)秀，在高頻大功率器件、光學(xué)窗口、高能粒子探測器、量子信息、生物傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。尤其隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)歷了第一代半導(dǎo)體材料鍺、硅，第二代半導(dǎo)體材料InP、GaAs，第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaN之后，人們逐漸將目光聚焦到具有更大禁帶寬度的氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導(dǎo)體材料上，金剛石半在導(dǎo)體器件領(lǐng)域綻放光芒。
金剛石憑什么那么強(qiáng)大
金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時(shí)，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了最高硬度以外，金剛石還具有半導(dǎo)體材料中最高的熱導(dǎo)率， 為AlN的7.5倍，因此金剛石也被業(yè)界稱為“終極半導(dǎo)體”材料。在高頻、高功率、高溫電子器件，核輻射探測器、光電器件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。正是這些閃光點(diǎn)，讓它在眾多半導(dǎo)體器件材料中脫穎而出。
場效應(yīng)晶體管
場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor, FET)，是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS-FET)。
金剛石材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)有效的半導(dǎo)體摻雜。目前，金剛石摻雜常用的p型和n型摻雜劑，即硼（B）和磷（P）的激活能都較高，室溫下難以應(yīng)用，這嚴(yán)重阻礙了金剛石在半導(dǎo)體電子器件中的應(yīng)用。但在使用氫等離子對金剛石表面進(jìn)行處理并暴露在空氣中后，金剛石表面能夠形成一層二維空穴氣（2DHG）導(dǎo)電層，導(dǎo)電層的載流子濃度在1012~1014 cm-2之間，遷移率在幾十到200 cm2/Vs之間。正是氫終端金剛石表面2DHG的發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了金剛石在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。目前基于氫終端表面的金剛石已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高性能的場效應(yīng)晶體管器件。
MEMS (Mico Electro Mechanical System)
MEMS是一種機(jī)械電氣性能優(yōu)良的器件，它集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果，可以通過微型化、集成化制成元件和系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)新原理、新功能的探索。這將開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，主要涵蓋傳感、生物、光學(xué)、頻射四大領(lǐng)域。
MEMS技術(shù)是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，主要屬于微米技術(shù)范疇。MEMS技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了十多年時(shí)間的發(fā)展，已能夠基于現(xiàn)有技術(shù)，用由大到小的技術(shù)途徑制作、發(fā)展出一批新的集成器件，大大提高器件的功能和效率，顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能如同微電子技術(shù)一樣，對科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響。
金剛石是一種極具魅力的納米微機(jī)電系統(tǒng)材料，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有極其重要的地位。因此，《2019第四屆國際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)》金剛石論壇特邀日本國立物質(zhì)材料研究所副所長Yasuo Koide教授于11月26-29日在上海與您面對面交流“金剛石場效應(yīng)晶體管與MEMS器件研究進(jìn)程”，詳細(xì)討論金剛石在半導(dǎo)體器件的發(fā)展，揭開金剛石的神秘面紗。
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半導(dǎo)體等功能器件
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7 | 透過納米晶金剛石薄膜提升碳納米管之電子場發(fā)射特性 |
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12 | 金剛石磁性傳感器及功率器件 |
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環(huán)保和生物醫(yī)用
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