超寬禁帶半導(dǎo)體：金剛石要攬“瓷器活”？！

以SiC/GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體已逐漸在5G通信、汽車(chē)電子、快速充電等方面得到大量應(yīng)用。與此同時(shí)，研究人員和相關(guān)企業(yè)仍在研究開(kāi)發(fā)其他的寬帶隙材料。金剛石、氮化鋁和氧化鎵等具有更寬的禁帶寬度，被稱(chēng)為超寬禁帶半導(dǎo)體，未來(lái)有可能用來(lái)制造具有更低電阻、更高工作功率、更高耐溫的功率器件，因此研發(fā)熱度一直不減。近來(lái)，持續(xù)有關(guān)于金剛石研發(fā)進(jìn)展的消息傳出，涉及大尺寸金剛石晶圓制備、金剛石材料的N 型摻雜以及金剛石器件研究等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，顯示金剛石作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用也將迎來(lái)曙光。

材料性能突出，應(yīng)用前景廣闊

業(yè)界一般將禁帶寬度大于2.3電子伏特（eV）的半導(dǎo)體材料稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體材料。碳化硅是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，氮化鎵則緊隨其后。與此同時(shí)，業(yè)界也在積極開(kāi)發(fā)新的寬禁帶半導(dǎo)體材料。金剛石就是俗稱(chēng)的“金剛鉆”，具有更寬的禁帶寬度，成為國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)。

中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關(guān)報(bào)告顯示，金剛石半導(dǎo)體材料的禁帶寬度達(dá)5.45 eV，熱導(dǎo)率是已知半導(dǎo)體材料中最高的，因而是一種極具有優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料，可以滿(mǎn)足未來(lái)大功率、強(qiáng)電場(chǎng)和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導(dǎo)體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授李成明表示，相對(duì)于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以來(lái)，最大優(yōu)勢(shì)在于更高的載流子遷移率(空穴:3800 cm2•V-1•s-1，電子:4500 cm 2•V-1•s-1) 、更高的擊穿電場(chǎng)(＞10 MV•cm-1 )、更大的熱導(dǎo)率( 22 W•K-1•cm-1)，其本征材料優(yōu)勢(shì)是具有自然界最高的熱導(dǎo)率以及最高的體材料遷移率，優(yōu)異的電學(xué)特性承載了人類(lèi)將金剛石稱(chēng)為終極半導(dǎo)體的巨大期望。

西安電子科技大學(xué)教授張金風(fēng)也指出，金剛石屬于新興的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導(dǎo)率極高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。

從材料到器件，研發(fā)進(jìn)展顯著

正是由于金剛石的性能，人們很早就開(kāi)啟了對(duì)金剛石的開(kāi)發(fā)研究。20世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長(zhǎng)小塊狀金剛石單晶，開(kāi)啟了金剛石研究的熱潮。近年來(lái)隨著后摩爾時(shí)代的來(lái)臨，人們?cè)谛虏牧项I(lǐng)域的研發(fā)投入不斷增長(zhǎng)，也加速了金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)。

根據(jù)李成明的介紹，近年來(lái)金剛石功率電子學(xué)在材料和器件方面均有新的技術(shù)突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達(dá)20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，同質(zhì)外延生長(zhǎng)的獨(dú)立單晶薄片具有缺陷密度低的特點(diǎn)，最大尺寸可達(dá)1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術(shù)生長(zhǎng)的金剛石晶圓可達(dá)2 英寸。而采用金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓可達(dá)4 英寸。如果是低成本的異質(zhì)外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應(yīng)用已很活躍，晶圓已達(dá)8 英寸，已可作為導(dǎo)熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。

金剛石材料的摻雜技術(shù)是形成功率器件的基礎(chǔ)，一直也是研究的熱點(diǎn)。由于金剛石的密排結(jié)構(gòu)與小間隙。傳統(tǒng)的元素?fù)诫s技術(shù)通常會(huì)引起金剛石嚴(yán)重的晶格畸變，并導(dǎo)致深能級(jí)摻雜，室溫載流子激活困難。因此過(guò)去20多年來(lái)，N 型摻雜技術(shù)一直被認(rèn)為是一個(gè)難點(diǎn)。近期相關(guān)報(bào)道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進(jìn)展，摻雜濃度達(dá)1020 cm-3。李成明認(rèn)為，從研發(fā)趨勢(shì)上看，未來(lái)的金剛石異質(zhì)結(jié)很可能打破人們的慣性思維，摻雜可能僅僅是名詞上的沿用，真正的內(nèi)涵將完全顛覆人們現(xiàn)階段的認(rèn)知。

金剛石器件方面的研究也有諸多進(jìn)展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，金剛石MOSFET 和氫終端射頻FET 的研究明顯加快，4 英寸多晶金剛石上的GaN HEMT 獲得突破性進(jìn)展。

近日，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的研究人員在高溫高壓工藝中合成的 IIa 型 (111) 單晶金剛石上制造了一種高遷移率 P 溝道寬帶隙異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。該項(xiàng)研究解決了由低空穴遷移率引起的 P 溝道 WBG FET 中的高導(dǎo)通電阻和高導(dǎo)通損耗問(wèn)題，為制造基于金剛石的 P 溝道FET鋪平了道路。

從材料生長(zhǎng)、器件結(jié)構(gòu)、器件工藝等方面，金剛石的研發(fā)都有很大的進(jìn)展，這為金剛石早日得到真正市場(chǎng)應(yīng)用開(kāi)啟了新的契機(jī)。

尚處研發(fā)待突破階段，不宜過(guò)度炒作

不過(guò)相關(guān)行業(yè)專(zhuān)家也指出，盡管取得許多進(jìn)展，金剛石目前仍處于基礎(chǔ)研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學(xué)問(wèn)題尚需攻克，不宜過(guò)熱跟進(jìn)炒作。

李成明表示，金剛石目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用尚有較大距離。金剛石材料的高成本和小尺寸是制約金剛石功率電子學(xué)發(fā)展的主要障礙。舉例而言，CVD 制備中摻氮的金剛石單晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位錯(cuò)密度目前可低至400 cm-2 ; 但金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓達(dá)4～8 英寸時(shí)，位錯(cuò)密度仍高達(dá)近107 cm-2量級(jí)，高缺陷密度仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

至于我國(guó)在金剛石方面的研究，相關(guān)專(zhuān)家指出，我國(guó)作了大量的探索性研究工作，但是與先進(jìn)國(guó)家相比還有巨大差距，主要表現(xiàn)在：關(guān)鍵工藝設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，容易遭到國(guó)外封鎖；單晶金剛石襯底無(wú)法在國(guó)內(nèi)穩(wěn)定獲??；沒(méi)有先進(jìn)的大尺寸單晶金剛石薄膜的生長(zhǎng)工藝等。

因此，未來(lái)金剛石材料和功率器件的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)集中在幾個(gè)方向：首先是要開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足功率半導(dǎo)體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術(shù)。特別是應(yīng)重點(diǎn)突破2～4英寸金剛石單晶材料技術(shù)，材料質(zhì)量可以滿(mǎn)足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質(zhì)量金剛石N型摻雜技術(shù)方面進(jìn)一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎(chǔ)。第三是掌握金剛石器件研制的核心關(guān)鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件。開(kāi)展金剛石材料和器件關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

作者丨陳炳欣

編輯丨邱江勇

美編丨馬利亞