为了满足人类社会日益增长的能源需求，人们一直致力于开发性能更好的高频大功率半导体功率电子器件。目前已经实现应用的半导体功率器件主要有两类：第一类是基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管（high-electron-mobility transistors，HEMTs）；第二类器件是SiC基MOSFETs（metal-oxide-semiconductor FETs）。然而目前报道的SiC基MOSFETs电子和空穴迁移率均低于Si基半导体材料（SiC电子迁移率为30 - 200 cm2/V·s，而空穴迁移率则低于17 cm2/V·s）。另一方面，新兴超宽禁带半导体材料氧化镓（Ga2O3），更是几乎难以在其晶体中形成有效的p型掺杂，严重制约了宽禁带半导体向更高温度，更高频率和效率，以及更小体积的应用延伸。
在性能需求的牵引下，金刚石（Diamond）逐渐进入了研究人员的视野。金刚石具有极高的临界击穿电场（超过10 MV/cm）、超高的热导率（超过20 W/cm·K），特别是其具有超高的本征空穴载流子迁移率（超过3500 cm2/V·s），已经超过了Si、GaAs、GaN和SiC等大多数半导体材料，成为未来高集成度功率和射频器件的优秀候选之一。然而，目前金刚石面临的最大困难就是将其从绝缘体转换成半导体。
在20世纪的80年代和90年代，人们曾试图通过传统的掺杂工艺，将杂质元素掺杂进金刚石的体晶格中，从而实现类似于硅（Si）的导电机制。然而该尝试并不成功，这主要是因为几乎所能使用的施主和受主掺杂元素在金刚石内都具有较高的活化能，很难在室温下提供可观的载流子浓度，造成很难制备具备良好的导电性金刚石基电子器件。21世纪初，人们在金刚石上探索出了一种有效的表面导电机制——氢终端技术。该技术利用了半导体之间的电子交换以及利用具有高电子亲和势的表面受主掺杂（例如水分子）等原理，通过在金刚石表面进行氢等离子体处理，可以产生浓度约1013 cm-2，迁移率数十cm2/V·s的二维空穴气。通过这一机制制作的晶体管被称为氢终端金刚石场效应晶体管（H-Terminated Diamond FETs）。
使用氢终端技术制作的晶体管其空穴迁移率与金刚石本征空穴迁移率相比差距近两个数量级，这主要是由于此前的表面转移掺杂技术在空穴沟道附近引入了受主电荷，对空穴载流子产生了较为严重的散射，进而导致空穴迁移率降低。此外，由于氢终端技术中表面受主分子的可挥发性，也使得器件电学性能存在温度波动性以及表面导电性的损失。上述两点是制约其进一步发展的关键挑战。针对氢终端金刚石电子器件的热稳定性问题，自2013年以来，人们通过引入各种过渡金属氧化物进行金刚石表面钝化，显著改善了器件的高温性能（可保证450 ℃ 高温下器件稳定工作）。同时也将金刚石表面载流子浓度提高至创纪录的2×1014 cm-2水平。然而氢终端金刚石基晶体管的空穴迁移率依然在10 ~ 100 cm2/V·s范围内，导致p型沟道器件的应用依然受限。
图 1 具有更高空穴迁移率的氢终端石墨/h-BN/金刚石异质结（a）原子示意图；（b）性能基准图（左：空穴迁移率、右：载流子浓度）。
针对这一挑战，日本国立材料研究所的研究团队在提升金刚石空穴迁移率方面的取得了较好的进展。该工作是通过使用单晶的六方氮化硼（h-BN）二维材料作为中间层，并利用石墨作为电极，制成的氢终端异质结金刚石场效应晶体管表面空穴迁移率高达680 cm2/V·s，对应的载流子浓度为5×1012 cm-2，如图1所示。
该工作引入了额外的石墨层作为栅极电极，由于没有空气参与会进一步减少栅介质与栅电极间的界面无序态，可以显著的减少沟道表面带电杂质的浓度，抑制表面电离杂质散射这一先前制约空穴迁移率提升的关键因素。所制作的晶体管基本结构和性能如图2所示，在栅压VGS= −10 V时，空穴迁移率可达到 680 cm2/V·s，且器件具有良好的常关特性（normally-off）。
图2 石墨/h-BN/金刚石异质结氢终端晶体管：（a）器件结构示意图；（b）异质结STEM图像；栅极电压VGS在（c）0 V、（d）8 V电压下的栅极下方能带示意图；栅极电压VGS与（e）迁移率、（f）霍尔载流子浓度的关系。
图3显示了氢终端金刚石器件空穴迁移率和温度的关系，其中的“ic”、"sr"、"ac "、"op "分别表示迁移率受界面电荷、表面粗糙度、声学声子和非极性光学声子等散射机制的影响。"tot"为表示在考虑到所有上述散射机制的情况下计算得到的总迁移率。总体来看，室温下界面受主态散射机制是限制迁移率的主导因素，而随着温度的上升，声子散射机制的贡献逐渐增加，受主态散射的贡献相对减小。高温下迁移率受声子散射影响大于受主态散射，迁移率逐渐下降。
图3 在栅极电压VGS为 - 8 V下测量的随温度变化的霍尔迁移率
氢终端金刚石基器件空穴迁移率的突破促进了其在更低损耗的高频开关器件、高频功率放大器及其他功率射频器件的应用。同时意味着金刚石基器件已经具有目前所有包含宽禁带及超宽禁带在内的半导体材料中可用的最高空穴载流子迁移率。考虑到金刚石其他优异的内在材料特性，包括极高的临界击穿场强与超高的热导率，使得金刚石基电子器件未来具有宽广的应用前景。尤其是金刚石的极化导电机制不依赖杂质元素掺杂，不需要考虑高温本征载流子激发及低温载流子冻结的问题，其与GaN异质结体系中极化产生的二维电子气（2DEG）配合，有望制造出可耐极端温度的特种CMOS集成电路，在量子计算、深空探测等国家重大需求中具有重要的应用潜力。
目前，化合积电专注于高品质金刚石材料的研发、生产和销售，现有核心产品金刚石热沉片、晶圆级金刚石、GaN on diamond 、Diamond on GaN、单晶金刚石、金刚石基氮化铝薄膜等产品。金刚石热沉片热导率高达1000-2200W/m.k，技术指标皆达世界领先水平，可作为热沉或衬底材料用于电力电子器件、功率器件、射频器件等。此外，在5G基站、激光器、医疗器械、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域也均有应用。
