細數(shù)國外金剛石半導體材料和器件發(fā)展情況

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2022-03-18 02:26:35 22

以金剛石、氧化鎵、氮化鋁、氮化硼等為代表的超寬禁帶半導體材料（禁帶寬度＞4.5 e V）的研究和應用，近年來不斷獲得技術的突破。這類半導體材料具有更高的禁帶寬度、熱導率以及材料穩(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)異的物理和化學性質(zhì)，如高載流子遷移率、高熱導率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數(shù)等，以下是相關參數(shù)對比?；谶@些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認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)界譽為“*半導體”。國外研究金剛石半導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。金剛石與其他半導體特性對比

金剛石半導體材料發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石晶體制備 金剛石應用于半導體產(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（化學氣相沉積）技術為主。進入21世紀，重復生長法、三維生長法及馬賽克法的出現(xiàn)，促進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*實驗室等一直致力于金剛石材料技術的提升。

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展，制造出無色單晶金剛石，加工后重達2.3克拉，生長速率達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12 mm的單晶金剛石和25 mm的馬賽克晶片。2013年AIST繼續(xù)擴大晶體尺寸，獲得了38.1 mm（1.5英寸）金剛石片，2014年借助于同質(zhì)外延技術和馬賽克生長技術成功獲得50.8 mm（2英寸）單晶金剛石，但其雜質(zhì)和位錯密度高。

2017年，德國奧格斯堡大學通過異質(zhì)外延技術實現(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途徑，但由于采用異質(zhì)外延導致位錯密度較高。 摻雜技術 實現(xiàn)金剛石半導體器件產(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，會導致多重晶體堆積，所制造的半導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上獲得突破，研發(fā)出一種低溫摻雜新工藝，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，將金剛石半導體器件的發(fā)展再推進一步。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。

金剛石半導體器件研究進展

金剛石可以作為有源器件材料制作場效應管、功率開關等器件，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率和極高的電荷遷移率，其制成的半導體器件能夠應用于高頻、高功率、高電壓等惡劣環(huán)境中，具有巨大的應用前景。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展，在關鍵性能指標上實現(xiàn)了一些提升。日本日本自2002年以來積極資助了數(shù)百萬美元進入金剛石半導體器件研究領域，取得了一些國際*的進展。

2005年，日本NTT公司研制的金剛石場效應晶體管（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，器件輸出功率達到1.26 W，增益達到17 d B，功率附加效率達到56%。NTT公司下一步的目標是開發(fā)功率密度大于30 W/mm、工作頻率達到200 GHz的金剛石MESFET（金屬半導體場效應晶體管），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擊穿電壓的常關型C-H金剛石MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），柵閾值電壓Vth為2.5～4 V。美國美國初創(chuàng)公司AKHAN半導體專門研究實驗室生長的電子級金剛石制備和應用，據(jù)報道，AKHAN已獲美國能源部阿貢*實驗室的金剛石半導體工藝授權，再結(jié)合自身在金剛石領域的技術突破，有望成為全球*真正實現(xiàn)金剛石半導體器件產(chǎn)品化的公司。

Akhan半導體公司提供了“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金屬氧化物半導體（CMOS）成為可能。該工藝平臺的技術核心是，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?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鏡片的金剛石玻璃強度、硬度分別是大猩猩玻璃的6倍和10倍。 AKHAN*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PIN二極管中沒有熱點，沒有寄生損失，在熱性能上也遠好于硅PIN二極管。AKHAN半導體公司擁有金剛石技術的多項專利，覆蓋幾乎所有半導體元件的基本材料，知識產(chǎn)權可以從二極管、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、藍寶石和金屬襯底上，有望重新激發(fā)微處理器運算速度的演進。 其他研究 由法國、英國、日本研究人員組成的國際研究團隊2017年在金剛石MOSFET方面取得了新進展，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閉。這一全新晶體管運行模式的提出，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進行產(chǎn)品試生產(chǎn)。其實國內(nèi)有十幾個團隊一直在堅持從事金剛石半導體材料和器件的研究，主要是中科院半導體所、中科院金屬所、西安交通大學、西安電子科技大學、吉林大學、鄭州大學、山東大學、浙江工業(yè)大學、上海大學、武漢工程大學等，并在日盲紫外探測器等方面取得進展。

發(fā)展展望

隨著金剛石半導體技術的不斷發(fā)展，未來必將突破n型摻雜技術、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)標準，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、先進的雷達和電信系統(tǒng)、超高效混合動力汽車、極端環(huán)境中的電子設備以及下一代航空航天電子設備等。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、光學元件涂層、電子產(chǎn)品配件加工等領域有廣泛應用。此外單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“*半導體”，以金剛石為代表的第三代寬禁帶半導體及器件是未來集成電路，信息時代發(fā)展的基礎，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領域都有巨大的應用潛力。

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

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