金刚石被称为下一代大功率、射频器件的理想材料，但一直缺一块好用的“搭档”——稳定、高质量的超宽禁带势垒层。没有这层材料，金刚石器件就很难真正做出来。近日，中国电科产业基础研究院固态微波器件与电路全国重点实验室金刚石团队在这一难题上取得突破：他们做出了首个立方相氮化铝/金刚石异质结材料，并在此基础上研制出场效应晶体管。
要做一个晶体管，首先得能在材料里控制电荷的流动。但金刚石里的杂质在室温下很难提供足够的载流子，靠“往金刚石里掺杂质”这条路走不通。科学家于是换了个思路：不往金刚石里掺，而是在它表面“贴”一层另一种材料，让两种材料交界处自然形成一层可以导电的电荷，这就是异质结。金刚石表面的氢终端虽然能诱导出导电空穴，但这层氢终端不够稳定，界面散射也严重。要让异质结真正可用，必须在金刚石上再长一层稳定、高质量的“势垒层”，把导电沟道保护起来。
这层势垒层选什么材料，本身就是一道选择题。氧化镓相对好做，但热导率太低，会把金刚石最大的散热优势抵消掉；氮化硼电学性能不错，但与金刚石的外延兼容性太差。氮化铝成了更现实的选择：它的热导率与金刚石匹配，理论上可以“接得上”。而在氮化铝的两种晶型中，立方相又优于常见的六方相：立方相对称性高，不产生六方相那种自发的极化和压电极化场，界面处不会因为“极化散射”拖累电荷的迁移速度。
问题在于，把立方相氮化铝长到金刚石上并不容易，主要有三道坎：两种材料的原子间距差得太多，硬贴在一起会在界面处制造大量缺陷；金刚石表面化学性质“惰性”，很难和氮原子形成有序的化学键；立方相氮化铝本身又不是最稳定的状态，条件稍微不对，就容易变回六方相。
针对这些难题，团队换了个思路：金刚石表面原本有一层氢原子，他们没有把它当成“障碍”清掉，而是把它当作调控反应的平台。利用这层氢终端，氨分子更容易在表面“落脚”，活性氮原子能够取代表面氢，形成一层整齐的C–N键合界面。这层界面就像“地基模板”，从第一层原子开始就把后面的氮化铝“定”成立方相。对于两种材料之间巨大的晶格失配，团队又提出周期性的畴匹配外延办法，像拉链每几格错开一次那样，把大的“尺寸差”拆成周期性的小错位消化掉，最终得到高质量的单晶立方相氮化铝/金刚石异质结。
界面结构立住之后，电学性能随之而来。立方相氮化铝/金刚石界面能形成一层不需要掺杂就能存在的二维空穴气，而且因为用的是立方相，界面不存在六方相那种宏观极化场，沟道里的空穴不会被极化散射持续拖慢。这是立方相路线区别于六方相路线的关键好处。
在此基础上，团队研制出高性能增强型异质结场效应晶体管。通俗地说，这种晶体管在零栅压时处于关断状态，也就是“平时关着、加电压才打开”，在功率电路和射频器件中更安全、更实用。
这项工作由中国电科产业基础研究院金刚石团队完成，相关论文发表在《Advanced Functional Materials》上，团队此前已在金刚石外延材料、金刚石射频器件和金刚石微波激射器等方向积累了一系列国内首创成果。从更大的背景看，金刚石已被“十五五”规划列为第四代半导体战略材料，而这项工作的意义在于：它没有停留在“金刚石性能很好”的材料层面，而是用一套可重复的外延方法，把高质量立方相氮化铝/金刚石异质结和常关型晶体管同时做了出来。
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