什麼是鑽石半導體
使用碳的晶體——鑽石的半導體。具有約5.5 eV的能隙、物質中頂級的熱導率與高崩潰電場，被看好用於高耐壓、高頻、高溫元件，但n型摻雜與大尺寸基板的製造很困難。
日文名稱: ダイヤモンド半導体
「鑽石半導體」出現在1領域的2道練習題中（化合物半導體等）。
這個名詞所屬的領域: 化合物半導體
物性的特點
鑽石是能隙約5.5 eV的超寬能隙半導體，崩潰電場預估約10 MV/cm，遠高於SiC與GaN的約3 MV/cm。熱導率約2000 W/(m·K)，屬於所有物質中的頂級，約為銅的5倍。電子與電洞的遷移率也相對較高，因此功率元件的性能指標理論上超過SiC與GaN。基於這些性質，它有時被稱為「終極半導體」。
摻雜的困難
p型可以摻硼製作，但受體能階距價帶約0.37 eV，屬於較深的能階，室溫下只有部分硼會放出電洞。n型更難，磷的施體能階距導帶約0.57 eV，非常深，室溫下能自由移動的電子極少。無法像Si或SiC那樣得到使大部分摻質都放出載子的淺能階，是鑽石元件困難的根本原因。
利用氫終端表面的電晶體
以氫原子終端鑽石表面時，表面正下方會形成電洞聚集的薄導電層（二維電洞氣）。一般認為這層是表面吸附物質與鑽石之間交換電子而產生的，吸附NO2等分子可提高電洞密度。由於可以避開深摻雜能階的問題，以此表面導電層作為通道的p通道MOSFET研究正在進行。佐賀大學在2023年發表了使用以NO2誘發電洞之p通道鑽石MOSFET的功率電路運作成果。
基板與實用化的課題
鑽石單晶以甲烷與氫為原料的CVD（化學氣相沉積）等方法製作，但要像Si或SiC那樣以低成本量產大口徑、低缺陷的基板仍很困難，截至2020年代中期，研究開發以小尺寸基板為主。除了高耐壓功率元件，研究中的用途還包括高頻高功率放大器、耐輻射與耐高溫的元件，以及利用鑽石中氮-空位中心（NV中心）的量子感測器。
練習鑽石半導體的題目
在鑽石半導體中，摻磷之n型層在室溫的電子密度遠小於磷濃度的主要原因，下列何者正確？
- A鑽石是間接能隙半導體
- B磷的施體能階距導帶約0.57 eV，很深，室溫下幾乎不會游離
- C磷在鑽石中作為受體
以氫終端表面所形成的導電層，被研究作為鑽石半導體電晶體通道的主要原因，下列何者正確？
- A表面正下方會形成電洞聚集的薄導電層，可避開深摻雜能階的問題，製作p通道電晶體
- B氫終端會使鑽石的能隙變成0 eV而成為金屬
- C氫終端可以輕易形成n型層
查看答案與解析
正確答案：A. 表面正下方會形成電洞聚集的薄導電層，可避開深摻雜能階的問題，製作p通道電晶體
鑽石半導體中硼與磷的能階都很深，室溫下難以得到足夠的載子。以氫終端表面時，表面吸附物質與鑽石之間交換電子，在表面正下方形成二維電洞氣。吸附NO2等分子可提高電洞密度，以此層作為通道的p通道MOSFET正在研究中。佐賀大學在2023年發表了使用以NO2誘發電洞之鑽石MOSFET的功率電路運作成果。
常見問題
鑽石半導體有什麼優點？
同時具備約5.5 eV的大能隙、約10 MV/cm的高崩潰電場，以及物質中頂級的熱導率。可望用於高耐壓、發熱大的功率元件，以及在高溫或輻射環境下使用的元件。
為什麼鑽石很難做成n型？
可作為施體的磷，其能階距導帶約0.57 eV，很深，室溫下幾乎不放出電子。p型的硼約0.37 eV也偏深，室溫載子密度容易偏低是共同的課題。
鑽石半導體已經實用化了嗎？
截至2020年代中期仍在研究開發階段。雖然已有功率電路運作等成果報告，但大口徑高品質基板的量產與摻雜問題的解決，是實用化的關鍵。
解析中的「鑽石半導體」
鑽石半導體中磷的能階約0.57 eV，很深，遠大於室溫的熱能（約0.026 eV），因此大部分的磷不會放出電子。
在鑽石半導體中，摻磷之n型層在室溫的電子密度遠小於磷濃度的主要原因，下列何者正確？鑽石半導體中硼與磷的能階都很深，室溫下難以得到足夠的載子。
以氫終端表面所形成的導電層，被研究作為鑽石半導體電晶體通道的主要原因，下列何者正確？
出現「鑽石半導體」的題目（2題）
相關名詞
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