选择性外延金刚石NTC热敏电阻研究取得新进展：面向极端环境温度传感的新方向

随着高端装备制造、航空航天、深地能源开发以及高功率电子系统的发展，传统温度传感器正面临越来越严苛的工作环境挑战。尤其是在高温、高压、强腐蚀、高辐射等复杂工况下，传感器不仅需要具备高灵敏度，还必须保持长期稳定性与可靠性。

负温度系数（NTC）热敏电阻由于结构简单、响应速度快、灵敏度高，长期以来广泛应用于工业控制、汽车电子、电池管理系统以及电子设备温度补偿领域。然而，传统金属氧化物NTC器件在极端环境中的性能瓶颈日益明显。

在这一背景下，以金刚石为代表的超宽禁带半导体材料，正在成为新一代高可靠温度传感技术的重要研究方向。

传统NTC热敏电阻面临哪些挑战？

目前主流NTC热敏电阻主要采用金属氧化物陶瓷或纳米复合材料制备，例如Mn、Co、Ni等氧化物体系。这类器件虽然成本较低、工艺成熟，但在高端应用场景中仍存在明显局限：

例如，在航空发动机、深井探测、核工业装备等场景中，器件往往需要在数百摄氏度甚至更高温度下持续工作，传统NTC材料很难长期保持稳定性能。

因此，行业开始寻找能够适用于极端环境的新型温度敏感材料。

为什么金刚石成为理想候选材料？

金刚石不仅是自然界中硬度最高的材料，同时也是性能极其优异的超宽禁带半导体。

其核心优势包括：

基于这些特性，金刚石材料在以下领域具备巨大潜力：

· 高温温度传感器

· 高功率电子器件

· 航空航天电子系统

· 深井与地热探测

· 极端环境MEMS器件

· 核工业与辐射环境电子学

近年来，研究人员已经尝试利用硼掺杂金刚石、多晶金刚石晶界缺陷等方式开发金刚石NTC热敏电阻，但仍存在一些关键问题：

· 导电机制不够清晰

· 器件一致性较差

· 工艺复杂度较高

· 与规模化制造兼容性有限

因此，开发兼具高性能、稳定性与量产潜力的新型金刚石NTC器件，成为行业重要研究方向。

选择性外延金刚石NTC器件取得突破

近期，江南大学集成电路学院敖金平团队联合西安交通大学研究人员，在 Materials Letters 发表研究论文《Investigation of diamond NTC thermistors based on selective epitaxial method》。

该研究提出了一种基于“选择性外延金刚石薄膜”的新型NTC热敏电阻，并成功实现无需有意掺杂的稳定负温度系数特性。

这一成果为新一代金刚石温度传感器的发展提供了新的技术路径。

图1. (a) NTC器件的示意图和 (b) 光学图像。

图2. 扫描电子显微镜（SEM）图像：(a) 放大后的器件形态；(b) 钨（W）电极条上的孔洞；(c) 钨掩模和选择性外延层的蚀刻表面。(d) 钨电极条之间选择性外延层的拉曼光谱。

意外发现带来的新思路

研究团队此前主要开展选择性外延金刚石在紫外探测器及肖特基势垒二极管中的应用研究。

在实验过程中，研究人员意外发现：

选择性生长的金刚石薄膜在室温下具有一定导电能力，并表现出明显的NTC特性。

这一现象意味着：

无需传统掺杂工艺，也有可能实现稳定的金刚石热敏电阻。

这一发现不仅降低了器件制备复杂度，也为后续规模化制造创造了条件。

创新的器件制备工艺

该研究采用了一套具有较高工艺兼容性的制备方案。

1. 缓冲层制备

首先在Ib型单晶金刚石衬底表面生长薄缓冲层，以提升后续外延质量。

2. 叉指电极构建

利用光刻与磁控溅射工艺形成叉指状钨（W）电极结构。

叉指结构能够有效提升器件对温度变化的响应能力。

3. 选择性外延生长

通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统进行选择性外延生长，形成约200 nm厚的活性层。

4. 表面氧终止处理

采用紫外臭氧处理实现氧终止表面，进一步优化器件电学性能与稳定性。

工艺亮点：原位形成欧姆接触

本研究的一项关键创新在于：

在选择性外延过程中，钨掩膜与金刚石表面发生原位反应，可直接形成稳定欧姆接触。

相比传统工艺，该方案具有明显优势：

这一工艺突破显著提升了器件产业化潜力。

器件性能表现

研究结果显示，该器件实现了宽温域稳定工作：

其中，在150–477 K核心工作区间内，器件表现出：

· 高温度灵敏度

· 快速瞬态响应

· 良好的重复性

· 稳定的长期工作能力

此外，其低温区B值明显优于传统硼掺杂金刚石热敏电阻。

导电机制首次得到系统解释

长期以来，选择性外延金刚石薄膜为何具有导电性并不明确。

本研究通过系统分析指出：

器件导电特性主要来源于选择性外延过程中引入的“钨相关杂质”。

这一结论具有重要意义：

· 明确了器件导电来源

· 为工艺优化提供理论依据

· 有助于提升器件一致性

· 推动无掺杂金刚石电子器件发展

对于未来开发更多新型金刚石传感器和电子器件，也具有重要参考价值。

金刚石NTC器件的未来应用前景

随着工艺进一步成熟，基于选择性外延技术的金刚石NTC热敏电阻，有望在多个高端领域实现应用：

航空航天

用于发动机、高超声速飞行器及卫星电子系统温度监测。

深井与能源探测

适用于高温高压地下环境中的实时温度检测。

高功率电子系统

用于功率模块热管理及高可靠性监测。

极端工业环境

满足高腐蚀、高辐射工况下长期稳定工作需求。

总体来看，该研究不仅拓展了金刚石电子器件的应用边界，也进一步推动了极端环境传感技术的发展。

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