金刚石作为超宽禁带半导体（带隙约5.5 eV），具备高击穿场强、高载流子迁移率和极高热导率等特性，被认为是潜在的“终极半导体”。但其本征材料难以通过传统掺杂实现有效导电，尤其是n型掺杂困难、p型激活能较高，限制了器件发展。氢终止表面提供了一种不同于体掺杂的路径：通过表面化学与界面电荷转移，在无掺杂条件下实现p型导电。

       山东大学新一代半导体材料研究院团队近期发表了一篇综述论文，题为“Hydrogen-terminated diamond 2DHG: Formation mechanisms, interface engineering, and device applications—A review”，该文发表于《Diamond & Related Materials》。系统梳理了氢终止金刚石表面二维空穴气（2DHG）的形成机制、界面调控方法及其在器件中的应用进展。

       形成机制

       氢等离子体处理可钝化金刚石表面悬挂键，形成氢终止表面，并产生负电子亲和势（NEA）。这一特性源于C–H键的偶极矩，其中碳原子带有部分负电荷，由此形成的表面电子结构有利于表面附近空穴积累。

       综述归纳了四种主要的2DHG形成模型：自发极化模型认为，C–H偶极排列产生的界面电场和向上能带弯曲导致空穴积累；转移掺杂模型（Maier等人提出）指出，氢终止本身不足以形成稳定2DHG，需空气中吸附的受主物种（如氧或氮相关分子）从金刚石价带接受电子，留下可移动空穴；界面负电荷模型解释了Al₂O₃等介质通过价带边附近俘获的负电荷诱导2DHG；近期基于第一性原理计算的固态受主模型则提出，界面负价态可驱动自洽的向上能带弯曲。

       这些机制并非完全互斥，实际取决于表面制备和环境条件。综述还提及，由强界面电场和反演对称性破缺引起的Rashba型自旋-轨道耦合，在界面质量足够高时可能为自旋电子学应用提供基础。

       影响2DHG性能的关键因素

       氢终止金刚石的表面输运对多种参数敏感。晶体取向影响C–H键密度和偶极强度：在相同条件下，(111)和(110)面通常比(100)面具有更高空穴密度，但(100)面因外延生长和加工工艺成熟，仍是主流选择。氢化条件（微波等离子体CVD中温度约850–900 °C、处理时间约30分钟、高纯氢气）直接决定终止质量、表面粗糙度和残余杂质。等离子体中少量碳源的引入可通过有限同质外延进一步改善表面平整度和迁移率。

       环境气氛起决定性作用。暴露于空气时，水分子与强电子受主（如NO₂、O₃）吸附共同促成导电；纯水或惰性气氛下导电微弱或消失；真空退火会导致受主解吸，2DHG消失。无保护条件下，热稳定性有限，200–300 °C以上受主显著解吸。

       通过原子层沉积（ALD）引入高功函数氧化物（如Al₂O₃、V₂O₅、MoO₃、WO₃等）作为固态受主层，可显著提升空穴密度和热稳定性，部分结构可将稳定工作温度扩展至300–400 °C。这些固态覆盖层取代易挥发的吸附层，同时降低界面态密度并改善器件阈值控制。

       器件应用

       氢终止金刚石2DHG已应用于紫外光探测器、功率电子器件和射频晶体管。在太阳盲深紫外探测（吸收边约225–280 nm）领域，氢终止有助于实现高增益光电导结构和低暗电流肖特基光电二极管，部分器件达到纳秒级响应时间和高光暗电流比。基于栅控的光晶体管进一步提升了动态范围。

       功率器件方面， normally-off MESFET和MOSFET利用表面沟道实现了数千伏的击穿电压和可观的电流密度。采用2DHG沟道的横向肖特基势垒二极管击穿电压可超过4600 V。金刚石的高Baliga优值使其在高压应用中具备与SiC、GaN竞争的潜力。

       射频领域，表面沟道FET的截止频率（f_T）已达70 GHz，最大振荡频率（f_max）接近164 GHz，1–3 GHz频段输出功率密度可达数W/mm。H-金刚石/h-BN异质结构进一步提高了迁移率，并在无需依赖吸附物掺杂的情况下实现高开关比。

       结论与展望

       这篇综述的核心价值，在于将“氢终止—界面电荷转移—二维空穴气—器件应用”这一逻辑链条完整串联起来。它展示了一种不同于传统半导体路径的技术路线：通过表面工程而非体掺杂，实现对载流子的调控。

       从材料角度看，2DHG为金刚石提供了实际可用的导电机制；从器件角度看，它已经支撑起紫外探测、功率电子与射频器件的初步实现。尽管仍存在稳定性与可控性问题，但其物理基础与应用潜力已经较为清晰。

       在现有研究框架下，后续工作的重点将更多落在界面控制与工程化实现上，使这一表面导电机制从实验现象逐步转向稳定器件平台。

       图文导读

图1. 本文的结构

图2. 不同端面表面的化学键组成与电子亲和力