中國粉體網(wǎng)訊  半導(dǎo)體行業(yè)是當(dāng)今世界科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動力，也是體現(xiàn)各國競爭力的重要標(biāo)志。半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體行業(yè)的核心，其性能的高低直接決定了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平。人造金剛石自問世以來，即以其優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，被賦予了“終極半導(dǎo)體”的美譽。

然而，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，金剛石材料的半導(dǎo)體應(yīng)用之路，既面臨高質(zhì)量金剛石半導(dǎo)體材料的生長加工難題，也有金剛石半導(dǎo)體器件設(shè)計的關(guān)鍵瓶頸等亟待攻克的技術(shù)難題。

金剛石半導(dǎo)體有何優(yōu)勢？

金剛石是一種由純碳元素組成的單質(zhì)，與石墨、納米碳管、富勒烯等均屬同素異形體，是一種集聲、光、熱、力、電，以及量子等眾多優(yōu)異性能于一身的多功能超極限材料。

金剛石最引人關(guān)注的性質(zhì)是其電子學(xué)（半導(dǎo)體）特性。它具有超寬禁帶、高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)等優(yōu)異的電子學(xué)性質(zhì)，基于金剛石材料的半導(dǎo)體器件有望在高頻、大功率和高溫高壓，以及極端環(huán)境中運行。金剛石通過摻雜等方式可呈現(xiàn)n型導(dǎo)電和p型導(dǎo)電，綜合性能遠(yuǎn)超GaAs、GaN和SiC等材料，是未來最有前景的（超）寬禁帶半導(dǎo)體材料。

主要寬禁帶材料的參數(shù)對比

金剛石半導(dǎo)體合成與加工

目前，人工合成金剛石的主流方法可分為高溫高壓（HPHT）法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法兩大類。其中，HPHT法主要用于合成金剛石粉體（或小尺寸單晶），主要應(yīng)用于切割、磨削、拋光等機械工具領(lǐng)域。不過，HPHT法對于金剛石內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)的控制比較困難，目前還無法滿足半導(dǎo)體金剛石材料的合成需求。

高溫高壓法結(jié)構(gòu)簡圖

CVD法可以制備高質(zhì)量的金剛石，因其優(yōu)越的腔室真空環(huán)境，使所制備的金剛石材料內(nèi)部雜質(zhì)較少。CVD法包括熱絲CVD法、等離子體噴射CVD法、微波等離子體CVD法。在這三種CVD方法中，微波等離子體CVD（MPCVD）法因為沒有電極污染而備受青睞。

CVD法合成技術(shù)簡圖

目前，MPCVD合成半導(dǎo)體金剛石材料的主要目標(biāo)是實現(xiàn)晶圓級（2英寸及以上）、低缺陷的金剛石單晶。技術(shù)路線包括異質(zhì)外延法、同質(zhì)外延法（如拼接生長和三維生長）等。前者目前已經(jīng)可以實現(xiàn)4英寸單晶金剛石生長，但是其內(nèi)部缺陷密度較高，與半導(dǎo)體材料的基本要求仍有較大差距。而后者目前僅能實現(xiàn)不大于2英寸的單晶金剛石生長，且在拼接縫處存在缺陷聚集的問題，成為限制該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖

金剛石半導(dǎo)體性能及器件設(shè)計

由于本征的塊體金剛石是絕緣體，不具備導(dǎo)電性能，不能直接用于制作半導(dǎo)體器件。目前，金剛石的半導(dǎo)體化主要通過金剛石摻雜、表面氫化處理等方式來實現(xiàn)。

其中，金剛石的摻雜包括在金剛石生長過程中引入摻雜元素實現(xiàn)p型摻雜和n型摻雜，或者通過離子注入法向已經(jīng)制備的高質(zhì)量金剛石中摻入其他元素來實現(xiàn)。實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體化的最大問題是摻雜難度非常大，尤其是n型摻雜。

金剛石半導(dǎo)體化的另一種途徑是使用氫等離子對金剛石表面進(jìn)行處理，并暴露在空氣中，此時金剛石表面會形成一層二維空穴氣（2DHG）導(dǎo)電層，該方法已經(jīng)應(yīng)用在高性能的場效應(yīng)晶體管器件。

金剛石在功率電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要面向高功率金剛石二極管和晶體管，針對高擊穿電壓、高擊穿場強、高溫工作、低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和常關(guān)器件等方向。

在微波電子學(xué)領(lǐng)域，金剛石的應(yīng)用則主要以氫終端FET為主，并且向高fT/fmax和高功率密度方向發(fā)展。

在量子計算領(lǐng)域，金剛石中的氮空位中心（NV center）具有獨特的量子特性，使其在量子計算領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。研究人員正在探索利用金剛石中的 NV center 實現(xiàn)量子比特的存儲和操作，為未來的量子計算技術(shù)提供新的解決方案。

在光學(xué)器件領(lǐng)域，金剛石不僅在電學(xué)性能上表現(xiàn)出色，在光學(xué)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。金剛石具有高透明度、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于制造高性能的光學(xué)窗口、透鏡和棱鏡等器件。此外，金剛石還可以作為激光增益介質(zhì)，用于制造高功率激光器。

金剛石半導(dǎo)體未來與發(fā)展趨勢

展望未來，金剛石材料和功率器件領(lǐng)域的發(fā)展重點可能會集中在以下幾個方向。

一是開發(fā)出滿足功率半導(dǎo)體器件制造要求的2英寸以上金剛石單晶材料的制備技術(shù)。這包括基于拼接技術(shù)的同質(zhì)外延和基于模版襯底的異質(zhì)外延技術(shù)。

二是獲得高質(zhì)量的n型摻雜技術(shù)，提高摻雜金剛石載流子濃度及遷移率，為研究金剛石功率器件奠定基礎(chǔ)。

三是突破大面積金剛石單晶的劃片（剝離）技術(shù)，為實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體商業(yè)化應(yīng)用提供保障。

四是加快核心裝備的自主創(chuàng)新，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)大功率MPCVD系統(tǒng)，以及相關(guān)配套裝備，突破國外在裝備領(lǐng)域的壟斷和封鎖。

金剛石半導(dǎo)體材料及器件總有一天會以驚人的姿態(tài)“破繭而出”！

參考來源：

1.方嘯虎等：培育大單晶金剛石的現(xiàn)狀與未來. 超硬材料工程

2.謝文良：單晶金剛石MPCVD外延生長的關(guān)鍵問題研究. 吉林大學(xué)

3.高旭輝：金剛石—終極半導(dǎo)體的“破繭”之路. 科學(xué)咨詢

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）

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