新型金刚石晶体管是世界第一——为最高温度下的高速计算铺平了道路

科学家首次使用金刚石制造出 N 沟道晶体管，这有可能导致能够在极端条件下工作的更快组件。

日本研究人员创造了第一个“n 沟道”金刚石晶体管，使我们离可以在超高温下运行的处理器又近了一步。这消除了对直接冷却的需要，并扩大了处理器可以运行的环境范围。

通过在晶体管（施加电压时在 1 和 0 之间翻转的电子开关）中使用金刚石，这项研究开辟了更小、更快、更节能的电子产品的前景。 

它们还可以在比传统组件更恶劣的环境下工作——在高于 572 华氏度（300 摄氏度）的温度下工作，而不是典型晶体管的 212 华氏度（100 摄氏度）的极限——并且在击穿之前可以承受更高的电压。 

科学家们在 1 月 19 日发表在《Advanced Science》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的发现。 

自 20 世纪 60 年代初以来，硅晶体管一直被用来制造处理器，但随着制造工艺的尺寸（低至 3 纳米）接近硅原子的 0.2 纳米宽度，它已经达到了物理极限。 

晶体管有几种不同类型，但最常用的是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，“金属氧化物半导体”指的是传统计算机芯片的硅晶圆。 

MOSFET 也有不同的配置——称为 n 沟道和 p 沟道。 N沟道晶体管使用电子来携带电荷，而p沟道晶体管使用“空穴”——用非常简单的术语来说，即逃逸电子留下的间隙。 N 沟道晶体管常见于高侧电源开关中，用于保护电池。 

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在这项新研究中，研究人员构建了一个具有两个“磷掺杂金刚石外延层”的晶体管。磷掺杂，简单地说就是将元素添加到层中，对于增加导电性是必要的。  这是 n 沟道层，它携带自由电子，将取代传统芯片中的硅基层。当有足够的电子流动时，它们会连接栅极的两端——称为“源极”和“漏极”。这会闭合电路以表示 1 而不是 0。

该团队在负层中轻轻掺杂了磷，并在第二层正层中重度掺杂。然后，科学家们在顶部重掺杂层上形成退火钛“源极”和“漏极”触点，然后添加 30 纳米厚的三氧化二铝作为绝缘体。结果是世界上第一个使用金刚石制成的可用 n 沟道 MOSFET 晶体管。

然后研究人员对晶体管进行了一系列测试，以检查其导电性能。他们在论文中表示：“n 型金刚石 MOSFET 在 573K 温度下表现出约 150cm2/V/sec 的高场效应迁移率”，指的是在极高温度下的高导电性和稳定性。他们指出，这是“所有基于宽带隙半导体的 n 沟道 MOSFET 中最高的”。

带隙，以电子伏特（动能单位）为单位测量，是 n 沟道内价电子（原子最外层电子）可以自由移动的区域。更宽的带隙意味着组件可以在更高的电压和频率下工作。金刚石的带隙为 5.47eV，而硅的带隙为 1.12eV。

这并不是金刚石晶体管的首次突破。另一个团队于 2022 年 1 月在《自然》杂志上发表了一项研究，详细介绍了如何创建基于金刚石的 p 沟道宽带隙晶体管。到目前为止，科学家们还无法展示可工作的 n 沟道金刚石晶体管。

当谈到晶体管的未来应用时，科学家们表示，它可以用于节能电子产品，以及由微机电系统 (MEMS) 制成的自旋电子设备和传感器，这些设备和传感器可以在太空等恶劣环境中运行。 

金刚石半导体还有其他用途，包括超级计算机、电动汽车 (EV) 以及更轻、更耐用的消费电子产品。