以金剛石、氧化鎵、氮化鋁、氮化硼等為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度＞4.5 e V）的研究和應(yīng)用，近年來不斷獲得技術(shù)的突破。這類半導(dǎo)體材料具有更高的禁帶寬度、熱導(dǎo)率以及材料穩(wěn)定性，在新一代深紫外光電器件、高壓大功率電子器件等領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ壳罢蔀閲H競爭的新熱點。

       金剛石作為超寬帶隙半導(dǎo)體材料的一員（禁帶寬度5.5 e V），具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數(shù)等，以下是相關(guān)參數(shù)對比。基于這些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。國外研究金剛石半導(dǎo)體材料和器件的地區(qū)主要是日本、美國和歐洲，以下是具體介紹。

金剛石與其他半導(dǎo)體特性對比

       金剛石半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀

       金剛石晶體制備

       金剛石應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，需要較大尺寸的單晶材料，金剛石晶體的制備方法也在不斷發(fā)展，以各種CVD（化學(xué)氣相沉積）技術(shù)為主。進(jìn)入21世紀(jì)，重復(fù)生長法、三維生長法及馬賽克法的出現(xiàn)，促進(jìn)了大尺寸金剛石制備的發(fā)展，也再次掀起研究制備金剛石的熱潮。

       金剛石材料制備技術(shù)的提升是金剛石電子器件性能提升的推動力。國際上，英國元素六公司、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）、日本物質(zhì)材料研究所（NIMS）、美國地球物理實驗室卡耐基研究院、美國阿貢國家實驗室等一直致力于金剛石材料技術(shù)的提升。

       英國元素六公司是高質(zhì)量（電子級）CVD金剛石單晶合成的佼佼者，2004年就生長出5 mm×5 mm的大尺寸電子級單晶，雜質(zhì)總含量可以控制在5ppb（ppb為十億分之一），位錯密度在103～104個/cm2之間，是全球金剛石晶體管、金剛石量子通信技術(shù)和金剛石高能粒子探測器研制所需高質(zhì)量單晶的主要提供者。多晶方面，目前已實現(xiàn)了電子級4英寸多晶金剛石商業(yè)化生產(chǎn)。

       2012年，美國卡耐基研究院宣稱在制造克拉級無色CVD金剛石方面取得重要進(jìn)展，制造出無色單晶金剛石，加工后重達(dá)2.3克拉，生長速率達(dá)50 μm/h。而且已實現(xiàn)了方形金剛石在6個面上同時生長，使得大單晶金剛石生長成為可能。

       日本AIST于2010年使用MPCVD制備出尺寸達(dá)12 mm的單晶金剛石和25 mm的馬賽克晶片。2013年AIST繼續(xù)擴(kuò)大晶體尺寸，獲得了38.1 mm（1.5英寸）金剛石片，2014年借助于同質(zhì)外延技術(shù)和馬賽克生長技術(shù)成功獲得50.8 mm（2英寸）單晶金剛石，但其雜質(zhì)和位錯密度高。

       2017年，德國奧格斯堡大學(xué)通過異質(zhì)外延技術(shù)實現(xiàn)了直徑92 mm、155克拉的大尺寸單晶金剛石材料，為大尺寸單晶金剛石的研制提供新的技術(shù)途徑，但由于采用異質(zhì)外延導(dǎo)致位錯密度較高。

       摻雜技術(shù)

       實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體器件產(chǎn)品化的最大問題是摻雜困難，尤其是n型摻雜，p型摻雜相對容易，目前，金剛石摻硼的p型材料已基本成熟并實用化。但這種方法需要高溫（1450 ℃）加熱，會導(dǎo)致多重晶體堆積，所制造的半導(dǎo)體器件性能不如單晶體。如果采用在晶體生產(chǎn)過程中注入硼原子的方法來實現(xiàn)金剛石單晶體的摻雜，不僅需要較高的注入功率，還會降低金剛石晶體的性能。

       2016年，美國在金剛石摻雜技術(shù)上獲得突破，研發(fā)出一種低溫?fù)诫s新工藝，可在較低溫度實現(xiàn)硼原子在金剛石單晶體中的摻雜，具有簡單、廉價、易操作等優(yōu)點。新工藝的核心是增加了“硅”，即在金剛石單晶體上附著一層帶有硼摻雜的硅，然后加熱到800 ℃，硼原子就可以從硅中轉(zhuǎn)移到金剛石中。通過將硅附著到金剛石晶體表面的特殊位置，能產(chǎn)生帶有特定性能的金剛石，從而實現(xiàn)了選擇性摻雜，在器件制造時可實現(xiàn)更高的控制力，將金剛石半導(dǎo)體器件的發(fā)展再推進(jìn)一步。由于該方法實現(xiàn)的是p型摻雜，仍沒有解決n型摻雜問題，下一步將繼續(xù)攻克n型摻雜這一難題，以實現(xiàn)晶體管等器件。

       金剛石半導(dǎo)體器件研究進(jìn)展

       金剛石可以作為有源器件材料制作場效應(yīng)管、功率開關(guān)等器件，也能作為無源器件材料制成肖特基二極管。由于金剛石具有很高的熱導(dǎo)率和極高的電荷遷移率，其制成的半導(dǎo)體器件能夠應(yīng)用于高頻、高功率、高電壓等惡劣環(huán)境中，具有巨大的應(yīng)用前景。國外在金剛石功率電子器件制作方面也取得了一些研究進(jìn)展，在關(guān)鍵性能指標(biāo)上實現(xiàn)了一些提升。

       日本

       日本自2002年以來積極資助了數(shù)百萬美元進(jìn)入金剛石半導(dǎo)體器件研究領(lǐng)域，取得了一些國際領(lǐng)先的進(jìn)展。

       2005年，日本NTT公司研制的金剛石場效應(yīng)晶體管（FET）器件在1GHz下，線性增益為10.94 d B，功率附加效率為31.8%，輸出功率密度達(dá)到2.1 W/mm，該功率密度值是目前可見報道的最高值。據(jù)新的報道，NTT已實現(xiàn)1 GHz下1 mm大柵寬器件的研制，器件輸出功率達(dá)到1.26 W，增益達(dá)到17 d B，功率附加效率達(dá)到56%。NTT公司下一步的目標(biāo)是開發(fā)功率密度大于30 W/mm、工作頻率達(dá)到200 GHz的金剛石MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），能夠在高溫和惡劣環(huán)境工作，真正實現(xiàn)由固態(tài)電子器件取代大功率電子真空管。

       2014年，日本發(fā)表在IEEE上的研究成果稱，采用NO2吸附、Al2O3鈍化的方法解決器件熱穩(wěn)定問題，采用100 nm柵長的氫端金剛石制作的射頻功率FET，電流Ids=1.35 A/mm，ft=35 GHz，fmax=70 GHz，柵長和柵寬分別為0.2 μm和390 μm。1 GHz下RF輸出功率密度為2W/mm，能在200 ℃實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

       2017年，日本研究人員在（001）金剛石襯底上同質(zhì)外延500nm金剛石薄膜，制成2 k V擊穿電壓的常關(guān)型C-H金剛石MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），柵閾值電壓Vth為2.5～4 V。

       美國

       美國初創(chuàng)公司AKHAN半導(dǎo)體專門研究實驗室生長的電子級金剛石制備和應(yīng)用，據(jù)報道，AKHAN已獲美國能源部阿貢國家實驗室的金剛石半導(dǎo)體工藝授權(quán)，再結(jié)合自身在金剛石領(lǐng)域的技術(shù)突破，有望成為全球首個真正實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體器件產(chǎn)品化的公司。

       Akhan半導(dǎo)體公司提供了“Miraj金剛石平臺”作為解決方案，可實現(xiàn)P型和N型器件，使得制造出金剛石互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）成為可能。該工藝平臺的技術(shù)核心是，通過在P型器件中摻雜磷(P)、在N型器件中摻雜了鋇(Ba)與鋰(Li)，帶來兩類器件結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)?shù)目烧{(diào)電子器件，并因此發(fā)展出金剛石CMOS。此外，AKHAN生產(chǎn)的用于顯示器和照相機(jī)鏡片的金剛石玻璃強(qiáng)度、硬度分別是大猩猩玻璃的6倍和10倍。

       AKHAN首款金剛石CMOS工藝制造出的器件是金剛石PIN二極管，厚度只有500 nm，比硅薄10倍，而性能比硅高100萬倍。且該P(yáng)IN二極管中沒有熱點，沒有寄生損失，在熱性能上也遠(yuǎn)好于硅PIN二極管。AKHAN半導(dǎo)體公司擁有金剛石技術(shù)的多項專利，覆蓋幾乎所有半導(dǎo)體元件的基本材料，知識產(chǎn)權(quán)可以從二極管、晶體管和功率逆變器到功能齊全的金剛石芯片（如集成電路）。AKHAN半導(dǎo)體公司還制作出了工作頻率100 GHz的金剛石電子器件，特征尺寸是100 nm。金剛石具有超低阻值，減少散熱需求，還可淀積在硅、玻璃、藍(lán)寶石和金屬襯底上，有望重新激發(fā)微處理器運(yùn)算速度的演進(jìn)。

       其他研究

       由法國、英國、日本研究人員組成的國際研究團(tuán)隊2017年在金剛石MOSFET方面取得了新進(jìn)展，開發(fā)出在硼摻雜金剛石MOSFET中引入深層耗盡區(qū)的新方法，構(gòu)建了金剛石MOSFET的全新概念。

       在構(gòu)建MOSFET時，研究人員首先在380 ℃溫度下在氧終止金剛石外延層的上方沉積一層氧化鋁（Al2O3），然后對金剛石層實施硼摻雜，形成穩(wěn)定的耗盡區(qū)域。塊體金剛石外延層在功能上相當(dāng)于一個厚的空穴載流子溝道，通過在柵極施加電壓，可對深層耗盡區(qū)域內(nèi)的空穴載流子產(chǎn)生排斥和耗盡作用，從而控制晶體管的開啟和關(guān)閉。這一全新晶體管運(yùn)行模式的提出，使金剛石MOSFET的結(jié)構(gòu)更為簡單，降低了制造難度。實驗結(jié)果表明，新方法可將寬禁帶半導(dǎo)體的載流子遷移率提高一個數(shù)量級。隨后，研究人員將對深層耗盡氧終止金剛石MOSFET進(jìn)行產(chǎn)品試生產(chǎn)。

       其實國內(nèi)有十幾個團(tuán)隊一直在堅持從事金剛石半導(dǎo)體材料和器件的研究，主要是中科院半導(dǎo)體所、中科院金屬所、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、吉林大學(xué)、鄭州大學(xué)、山東大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、武漢工程大學(xué)等，并在日盲紫外探測器等方面取得進(jìn)展。

       發(fā)展展望

       隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，未來必將突破n型摻雜技術(shù)、大尺寸高質(zhì)量單晶制備及高平整度、高均勻性材料外延技術(shù)等瓶頸問題，實現(xiàn)更高功率性能的金剛石電子器件。金剛石半導(dǎo)體器件比硅芯片更薄，基于金剛石的電子產(chǎn)品很可能成為高能效電子產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將對一些高新行業(yè)產(chǎn)生顯著影響，包括更快的超級計算機(jī)、先進(jìn)的雷達(dá)和電信系統(tǒng)、超高效混合動力汽車、極端環(huán)境中的電子設(shè)備以及下一代航空航天電子設(shè)備等。

       主要內(nèi)容來自調(diào)研整理，僅供參考。

       金剛石以其優(yōu)異的性能在高端制造業(yè)如精密工具、耐磨零件、光學(xué)元件涂層、電子產(chǎn)品配件加工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。此外單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“終極半導(dǎo)體”， 以金剛石為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體及器件是未來集成電路，信息時代發(fā)展的基礎(chǔ)，在生物檢測和醫(yī)療、平板顯示、環(huán)保工程、功能器件等多個高新技術(shù)領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力。

       基于此，第四屆國際碳材料大會針對金剛石模塊，除重點關(guān)注金剛石的合成技術(shù)、摻雜技術(shù)，制品生產(chǎn)外，還會聚焦在高端制造業(yè)及前沿高新技術(shù)領(lǐng)域的研究探索。誠邀業(yè)內(nèi)知名專家學(xué)者和企業(yè)代表，共同探討新技術(shù)、新突破和新發(fā)展，開啟超硬材料邁向高端領(lǐng)域應(yīng)用的新時代。

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