细数国外金刚石半导体材料和器件发展情况

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2022-03-18 02:26:35 2

以金刚石、氧化镓、氮化铝、氮化硼等为代表的超宽禁带半导体材料（禁带宽度＞4.5 e V）的研究和应用，近年来不断获得技术的突破。这类半导体材料具有更高的禁带宽度、热导率以及材料稳定性，在新一代深紫外光电器件、高压大功率电子器件等领域具有显著的优势和巨大的发展潜力，目前正成为国际竞争的新热点。

金刚石作为超宽带隙半导体材料的一员（禁带宽度5.5 e V），具有优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，以下是相关参数对比。基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“*半导体”。国外研究金刚石半导体材料和器件的地区主要是日本、美国和欧洲，以下是具体介绍。金刚石与其他半导体特性对比

金刚石半导体材料发展现状

金刚石晶体制备 金刚石应用于半导体产业，需要较大尺寸的单晶材料，金刚石晶体的制备方法也在不断发展，以各种CVD（化学气相沉积）技术为主。进入21世纪，重复生长法、三维生长法及马赛克法的出现，促进了大尺寸金刚石制备的发展，也再次掀起研究制备金刚石的热潮。金刚石材料制备技术的提升是金刚石电子器件性能提升的推动力。国际上，英国元素六公司、日本产业技术综合研究所（AIST）、日本物质材料研究所（NIMS）、美国地球物理实验室卡耐基研究院、美国阿贡*实验室等一直致力于金刚石材料技术的提升。

英国元素六公司是高质量（电子级）CVD金刚石单晶合成的佼佼者，2004年就生长出5 mm×5 mm的大尺寸电子级单晶，杂质总含量可以控制在5ppb（ppb为十亿分之一），位错密度在103～104个/cm2之间，是全球金刚石晶体管、金刚石量子通信技术和金刚石高能粒子探测器研制所需高质量单晶的主要提供者。多晶方面，目前已实现了电子级4英寸多晶金刚石商业化生产。

2012年，美国卡耐基研究院宣称在制造克拉级无色CVD金刚石方面取得重要进展，制造出无色单晶金刚石，加工后重达2.3克拉，生长速率达50 μm/h。而且已实现了方形金刚石在6个面上同时生长，使得大单晶金刚石生长成为可能。

日本AIST于2010年使用MPCVD制备出尺寸达12 mm的单晶金刚石和25 mm的马赛克晶片。2013年AIST继续扩大晶体尺寸，获得了38.1 mm（1.5英寸）金刚石片，2014年借助于同质外延技术和马赛克生长技术成功获得50.8 mm（2英寸）单晶金刚石，但其杂质和位错密度高。

2017年，德国奥格斯堡大学通过异质外延技术实现了直径92 mm、155克拉的大尺寸单晶金刚石材料，为大尺寸单晶金刚石的研制提供新的技术途径，但由于采用异质外延导致位错密度较高。 掺杂技术 实现金刚石半导体器件产品化的最大问题是掺杂困难，尤其是n型掺杂，p型掺杂相对容易，目前，金刚石掺硼的p型材料已基本成熟并实用化。但这种方法需要高温（1450 ℃）加热，会导致多重晶体堆积，所制造的半导体器件性能不如单晶体。如果采用在晶体生产过程中注入硼原子的方法来实现金刚石单晶体的掺杂，不仅需要较高的注入功率，还会降低金刚石晶体的性能。

2016年，美国在金刚石掺杂技术上获得突破，研发出一种低温掺杂新工艺，可在较低温度实现硼原子在金刚石单晶体中的掺杂，具有简单、廉价、易操作等优点。新工艺的核心是增加了“硅”，即在金刚石单晶体上附着一层带有硼掺杂的硅，然后加热到800 ℃，硼原子就可以从硅中转移到金刚石中。通过将硅附着到金刚石晶体表面的特殊位置，能产生带有特定性能的金刚石，从而实现了选择性掺杂，在器件制造时可实现更高的控制力，将金刚石半导体器件的发展再推进一步。由于该方法实现的是p型掺杂，仍没有解决n型掺杂问题，下一步将继续攻克n型掺杂这一难题，以实现晶体管等器件。

金刚石半导体器件研究进展

金刚石可以作为有源器件材料制作场效应管、功率开关等器件，也能作为无源器件材料制成肖特基二极管。由于金刚石具有很高的热导率和极高的电荷迁移率，其制成的半导体器件能够应用于高频、高功率、高电压等恶劣环境中，具有巨大的应用前景。国外在金刚石功率电子器件制作方面也取得了一些研究进展，在关键性能指标上实现了一些提升。日本日本自2002年以来积极资助了数百万美元进入金刚石半导体器件研究领域，取得了一些国际*的进展。

2005年，日本NTT公司研制的金刚石场效应晶体管（FET）器件在1GHz下，线性增益为10.94 d B，功率附加效率为31.8%，输出功率密度达到2.1 W/mm，该功率密度值是目前可见报道的最高值。据新的报道，NTT已实现1 GHz下1 mm大栅宽器件的研制，器件输出功率达到1.26 W，增益达到17 d B，功率附加效率达到56%。NTT公司下一步的目标是开发功率密度大于30 W/mm、工作频率达到200 GHz的金刚石MESFET（金属半导体场效应晶体管），能够在高温和恶劣环境工作，真正实现由固态电子器件取代大功率电子真空管。 2014年，日本发表在IEEE上的研究成果称，采用NO2吸附、Al2O3钝化的方法解决器件热稳定问题，采用100 nm栅长的氢端金刚石制作的射频功率FET，电流Ids=1.35 A/mm，ft=35 GHz，fmax=70 GHz，栅长和栅宽分别为0.2 μm和390 μm。1 GHz下RF输出功率密度为2W/mm，能在200 ℃实现稳定工作。 2017年，日本研究人员在（001）金刚石衬底上同质外延500nm金刚石薄膜，制成2 k V击穿电压的常关型C-H金刚石MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），栅阈值电压Vth为2.5～4 V。美国美国初创公司AKHAN半导体专门研究实验室生长的电子级金刚石制备和应用，据报道，AKHAN已获美国能源部阿贡*实验室的金刚石半导体工艺授权，再结合自身在金刚石领域的技术突破，有望成为全球*真正实现金刚石半导体器件产品化的公司。

Akhan半导体公司提供了“Miraj金刚石平台”作为解决方案，可实现P型和N型器件，使得制造出金刚石互补金属氧化物半导体（CMOS）成为可能。该工艺平台的技术核心是，通过在P型器件中掺杂磷(P)、在N型器件中掺杂了钡(Ba)与锂(Li)，带来两类器件结构性能相当的可调电子器件，并因此发展出金刚石CMOS。此外，AKHAN生产的用于显示器和照相机镜片的金刚石玻璃强度、硬度分别是大猩猩玻璃的6倍和10倍。 AKHAN*金刚石CMOS工艺制造出的器件是金刚石PIN二极管，厚度只有500 nm，比硅薄10倍，而性能比硅高100万倍。且该PIN二极管中没有热点，没有寄生损失，在热性能上也远好于硅PIN二极管。AKHAN半导体公司拥有金刚石技术的多项专利，覆盖几乎所有半导体元件的基本材料，知识产权可以从二极管、晶体管和功率逆变器到功能齐全的金刚石芯片（如集成电路）。AKHAN半导体公司还制作出了工作频率100 GHz的金刚石电子器件，特征尺寸是100 nm。金刚石具有超低阻值，减少散热需求，还可淀积在硅、玻璃、蓝宝石和金属衬底上，有望重新激发微处理器运算速度的演进。 其他研究 由法国、英国、日本研究人员组成的国际研究团队2017年在金刚石MOSFET方面取得了新进展，开发出在硼掺杂金刚石MOSFET中引入深层耗尽区的新方法，构建了金刚石MOSFET的全新概念。

在构建MOSFET时，研究人员首先在380 ℃温度下在氧终止金刚石外延层的上方沉积一层氧化铝（Al2O3），然后对金刚石层实施硼掺杂，形成稳定的耗尽区域。块体金刚石外延层在功能上相当于一个厚的空穴载流子沟道，通过在栅极施加电压，可对深层耗尽区域内的空穴载流子产生排斥和耗尽作用，从而控制晶体管的开启和关闭。这一全新晶体管运行模式的提出，使金刚石MOSFET的结构更为简单，降低了制造难度。实验结果表明，新方法可将宽禁带半导体的载流子迁移率提高一个数量级。随后，研究人员将对深层耗尽氧终止金刚石MOSFET进行产品试生产。其实国内有十几个团队一直在坚持从事金刚石半导体材料和器件的研究，主要是中科院半导体所、中科院金属所、西安交通大学、西安电子科技大学、吉林大学、郑州大学、山东大学、浙江工业大学、上海大学、武汉工程大学等，并在日盲紫外探测器等方面取得进展。

发展展望

随着金刚石半导体技术的不断发展，未来必将突破n型掺杂技术、大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题，实现更高功率性能的金刚石电子器件。金刚石半导体器件比硅芯片更薄，基于金刚石的电子产品很可能成为高能效电子产品的行业标准，将对一些高新行业产生显著影响，包括更快的超级计算机、先进的雷达和电信系统、超高效混合动力汽车、极端环境中的电子设备以及下一代航空航天电子设备等。主要内容来自调研整理，仅供参考。

金刚石以其优异的性能在高端制造业如精密工具、耐磨零件、光学元件涂层、电子产品配件加工等领域有广泛应用。此外单晶金刚石不光是“工业牙齿”，还是“*半导体”，以金刚石为代表的第三代宽禁带半导体及器件是未来集成电路，信息时代发展的基础，在生物检测和医疗、平板显示、环保工程、功能器件等多个高新技术领域都有巨大的应用潜力。

基于此，第四届国际碳材料大会针对金刚石模块，除重点关注金刚石的合成技术、掺杂技术，制品生产外，还会聚焦在高端制造业及前沿高新技术领域的研究探索。诚邀业内知名专家学者和企业代表，共同探讨新技术、新突破和新发展，开启超硬材料迈向高端领域应用的新时代。

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