超寬禁帶半導體：金剛石要攬“瓷器活”？！

以SiC/GaN為代表的寬禁帶半導體已逐漸在5G通信、汽車電子、快速充電等方面得到大量應用。與此同時，研究人員和相關企業仍在研究開發其他的寬帶隙材料。金剛石、氮化鋁和氧化鎵等具有更寬的禁帶寬度，被稱為超寬禁帶半導體，未來有可能用來制造具有更低電阻、更高工作功率、更高耐溫的功率器件，因此研發熱度一直不減。近來，持續有關于金剛石研發進展的消息傳出，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關鍵環節，顯示金剛石作為新一代寬禁帶半導體材料的現實應用也將迎來曙光。

材料性能突出，應用前景廣闊

業界一般將禁帶寬度大于2.3電子伏特（eV）的半導體材料稱為寬禁帶半導體材料。碳化硅是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，氮化鎵則緊隨其后。與此同時，業界也在積極開發新的寬禁帶半導體材料。金剛石就是俗稱的“金剛鉆”，具有更寬的禁帶寬度，成為國際前沿研究熱點。

中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟相關報告顯示，金剛石半導體材料的禁帶寬度達5.45 eV，熱導率是已知半導體材料中最高的，因而是一種極具有優勢的半導體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網、軌道交通等領域有著廣闊的應用前景。

北京科技大學新材料技術研究院教授李成明表示，相對于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以來，最大優勢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(＞10 MV?cm-1 )、更大的熱導率( 22 W?K-1?cm-1)，其本征材料優勢是具有自然界最高的熱導率以及最高的體材料遷移率，優異的電學特性承載了人類將金剛石稱為終極半導體的巨大期望。

西安電子科技大學教授張金風也指出，金剛石屬于新興的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導率極高、抗輻照等優點。在熱沉、大功率、高頻器件、光學窗口、量子信息等領域具有極大應用潛力。

從材料到器件，研發進展顯著

正是由于金剛石的性能，人們很早就開啟了對金剛石的開發研究。20世紀70年代，美國科學家開發出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。近年來隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領域的研發投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導體材料的開發。

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

金剛石材料的摻雜技術是形成功率器件的基礎，一直也是研究的熱點。由于金剛石的密排結構與小間隙。傳統的元素摻雜技術通常會引起金剛石嚴重的晶格畸變，并導致深能級摻雜，室溫載流子激活困難。因此過去20多年來，N 型摻雜技術一直被認為是一個難點。近期相關報道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進展，摻雜濃度達1020 cm-3。李成明認為，從研發趨勢上看，未來的金剛石異質結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，真正的內涵將完全顛覆人們現階段的認知。

金剛石器件方面的研究也有諸多進展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實驗應用，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 獲得突破性進展。

近日，日本國立材料科學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 溝道寬帶隙異質結場效應晶體管（FET）。該項研究解決了由低空穴遷移率引起的 P 溝道 WBG FET 中的高導通電阻和高導通損耗問題，為制造基于金剛石的 P 溝道FET鋪平了道路。

從材料生長、器件結構、器件工藝等方面，金剛石的研發都有很大的進展，這為金剛石早日得到真正市場應用開啟了新的契機。

尚處研發待突破階段，不宜過度炒作

不過相關行業專家也指出，盡管取得許多進展，金剛石目前仍處于基礎研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學問題尚需攻克，不宜過熱跟進炒作。

李成明表示，金剛石目前實現商業應用尚有較大距離。金剛石材料的高成本和小尺寸是制約金剛石功率電子學發展的主要障礙。舉例而言，CVD 制備中摻氮的金剛石單晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位錯密度目前可低至400 cm-2 ; 但金剛石異質外延技術的晶圓達4～8 英寸時，位錯密度仍高達近107 cm-2量級，高缺陷密度仍是一個挑戰。

至于我國在金剛石方面的研究，相關專家指出，我國作了大量的探索性研究工作，但是與先進國家相比還有巨大差距，主要表現在：關鍵工藝設備依賴進口，沒有自主知識產權，容易遭到國外封鎖；單晶金剛石襯底無法在國內穩定獲取；沒有先進的大尺寸單晶金剛石薄膜的生長工藝等。

因此，未來金剛石材料和功率器件的發展重點應集中在幾個方向：首先是要開發出滿足功率半導體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術。特別是應重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術，材料質量可以滿足金剛石功率器件研發的需求。其次是在高質量金剛石N型摻雜技術方面進一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎。第三是掌握金剛石器件研制的核心關鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件。開展金剛石材料和器件關鍵設備的研發，獲得自主知識產權，并實現商業化。

來源：中國電子報