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2024年1月25日，日本国立材料科学研究所（NIMS）宣布开发出全球首款N型金刚石MOSFET。 其在300时的场效应迁移率约为150 cm v·sec。 可以实现金刚石CMOS集成电路。
原则上，金刚石半导体即使在高温和高辐射环境中也能实现高介电强度和高速开关。 然而，由于掺杂控制的困难，尚未实现实现CMOS结构所需的N沟道MOSFET的形成。
为了形成N型金刚石MOSFET，需要生长出晶体质量高的金刚石N沟道外延层（以下简称外延层）和高导电性的N+接触外延层。
NIMS研究团队使用NIMS专有的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法精确控制高温高压合成（HPHT）单晶金刚石衬底[111]晶面上的掺杂浓度。 形成高质量的n型金刚石外延层。
具体来说，用于器件通道的轻质掺磷N-金刚石外延层直接生长在HPHT金刚石衬底的表面上。 然后将重磷掺杂的 n+ 层沉积在 n 层上以形成欧姆接触。 当使用原子力显微镜（AFM）确认时，发现n型金刚石的均匀外延生长是原子形成的，平均粗糙度约为01 nm 步长。
此外，进行了二次离子质谱（SIMS）分析，发现磷浓度均匀分布在生长表面，并且使供体失活的氢含量低于测量限值。 金刚石外延层在300 °C时的电子迁移率为212 cm v·sec。
研究团队验证了制造的MOSFET的运行情况。 因此，在源极和漏极之间流动的漏极电流（n+层）可以通过施加到栅极的电压来控制，并且从极性确认电子（n型）电导率。 与室温相比，300时的漏极电流增加了约4个数量级，300时的场效应电子迁移率约为150 cm V·sec。
此外，在300°C的高温下可实现微秒级开关速度。 增加栅极幅度可增加沟道的电导率，从而实现更快的开关速度。
日本团队发布金刚石MOSFET
早稻田大学和Power Diamonds Systems（PDS）开发了一种结构，其中金刚石表面覆盖着氧化硅端子（C-Si-O端子），当栅极电压为0V时关闭晶体管。 为此，他们宣布开发一种“恒定关断”金刚石MOSFET。
研究结果由Hiroshi Kawarada教授、Fu Yu教授、Norito Narita教授、Xiahua Zhu教授、早稻田大学Atsushi Hiraiwa副教授、PDS的Kosuke OTA和PDS联合创始人兼首席执行官Tatsuya Fujishima等人贡献。 12月13日，在半导体器件工艺技术国际会议IEEE国际电子器件会议（IEDM 2023）上公布了细节。
MOSFET是一种MOS结构场效应晶体管（FET），具有高速、低导通电阻、高击穿电压等特点，特别适合作为电机驱动的开关元件，高速开关和大电流已经完成。
关于被称为终极功率半导体材料的金刚石半导体，世界各地都在研究和开发使用氢端接（CH）结构的金刚石MOSFET，但由于2DHG，即使在栅极电压为0V时，也无法实现晶体管截止的正常关闭状态。
因此，如果将常开式设备应用于电力电子设备，则在设备停止正常工作时，将无法安全停止设备，因此需要正常关闭操作。 在此背景下，PDS和早稻田大学的研究团队发现，覆盖在金刚石表面的氢原子的C-H键由于高温氧化而转化为CO键，表面成为电子缺陷，导致其性能恶化。 该公司一直在努力改进这一点，以实现FET的稳定运行。
在这项研究中，我们使用了一种器件结构，其中金刚石表面具有氧化硅 （C-SI-O） 键，而不是传统的 Co-Si 键。 因此，P沟道MOSFET的空穴迁移率为150 cm 2 V·s，高于SiC N沟道MOSFET，常关操作的信号阈值电压为3 5 V，这是传统金刚石半导体无法实现的，据说是可以防止意外导通（短路）的值。
此外，PDS对于水平氧化硅端接金刚石MOSFET的最大漏极电流超过300 mA，对于垂直氧化硅端接金刚石MOSFET，其最大漏极电流超过200 mA。 据说这是该系列中长冠金刚石MOSFET的最高值。
两家公司都声称，通过用C-Si-O键覆盖其表面，它们已成为稳定的器件，比传统的CH表面更耐高温和抗氧化，该公司认为它们的可用性使其适合大规模生产。 为此，川原教授认为，在社会上容易实现的金刚石功率半导体已经实现，PDS将继续加强金刚石MOSFET的研发，以期金刚石半导体的普及和商业化。 他们的目标是开发一种适合大规模生产的器件工艺，并以更简单的结构实现更高的耐压性。
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