超宽禁带半导体之金刚石

超宽禁带半导体金刚石，禁带宽度为 5.5 eV，是立方晶体，具有高载流子迁移率高电子饱和速度、高击穿场强和高热导率等特点，其功率器件的 Johnson's优值为宽禁带半导体 SiC 的 10 倍，冠以终结半导体之称。近年来，对金刚石材料在大尺寸。低缺陷和掺杂等关键技术的研究有了新的突破，并带动了金刚石功率二极管、功率场效应晶体管、逻辑电路和射频功率器件的开展，同时将高导热的金刚石材料用作 GaN HEMT 散热基板又有助于了高输出功率密度 GaN 功率电子的开展。

金刚石生长方法始于美国通用电气公司 1955 年采用高温高压方法(HPHT顺利获得石墨制备，上世纪八十年代提出热丝化学气相沉积方法(CVD)实现了异质衬底上制备金刚石薄膜。这也是现在主流的两种金刚石生长方法。降低缺陷密度不断是多年来的研究重点，近年来也有了较大的进步，HPHT 法可生长直径为一英寸优质金刚石晶体，在<001 >晶向生长的位错密度小于 50/cm’;采用 CVD 同质外延的掺氮金刚石单晶薄膜的位错密度低至 400 /cm 。制备大尺寸金刚石的技术主要有同质外延、马赛克晶圆制备和异质外延技术。在微波等离子化学气相沉积(MPCVD)生长技术中突破了加氮高速生长、脉冲放电高效率生长和离子注人剥离等关键技术后，近年来又实现了 100 um/h 的高速外延生长，大尺寸，厚而无多晶金刚石边缘的生长和 200h无边界陆续在生长等创新技术。采用马赛克的拼接技术制备了2英寸单晶金刚石晶圆。采用异质外延技术可以在异质晶圆衬底上实现大尺寸金刚石薄膜的生长，如 MgO、SrTiO3 Al,O、YSZ/Si 和铱(Ir)，单晶尺寸已达4英寸，但缺陷密度高，与器件所需的 10°/cm位错密度相距甚远。不过异质外延 CVD 金刚石单晶或事低成本的多晶薄膜可作为功率电子器件热沉材料，具有广泛的应用前景。近年来采用4英寸S基CVD金刚石名晶薄膜使得 GaN HEMT 的射频功率密度超过 23 W/mm，异质外延 CVD 金刚石多晶薄膜的最大直径可达到8英寸。金刚石材料的有效掺杂是制备功率器件的基础，p型重掺杂低阻和厚层材料等方面实现了关键技术的突破并趋于成熟，采用B掺杂剂可以实现大范围的空穴浓度调控，最低电阻率可达1mQcm。而n型高电导率实现仍然是一个难题，n 型掺杂剂P因激活能较高(并且与晶向有关)，虽然可以大范围进行掺杂浓度调控，但最低电阻率仍高达 300Qcm 以上，这对n型欧姆接触金属化及双极功率器件形成了极大的障碍。

早在 1997 年，A.Vescan 等人首次报道了可在1000℃下工作的金刚石 SBD，虽然开关比仅为 10，且反向击穿退化为 30 V，但足以体现其高温工作的潜力。现在金刚石二极管已有初步的实验应用，以 SBD 为主，pn 二极管为辅，击穿电压已突破10 kv、导通电阻低至 1.85mΩcm、高开关速率(523K下的开关时间15 ns)和700℃下可工作等关键技术。金刚石晶体管以 MOSFET 为主，MESFET 和 JFET 为辅，对 BJT 召开了初步研究，击穿电压已突破了 2 kv、导通电阻低 2.63 mΩcm、漏极电流高达 776 mA/mm 和常关器件等关键技术。金刚石射频 FET 以氢终端 FET 为主，已突破了高漏极电流 1.35 A/mm、高f/f(70 GHz/80 GHz)和高射频输出功率密度(1GHz下为3.8 W/mm)等关键技术。对金刚石IC召开了基本逻辑电路的初步研究，这是金刚石半导体最具颠覆性应用的一个领域，因为至今为止，还没有一种材料能够挑战 Si 在IC 领域(占据半导体总市场的 90% 以上)的绝对霸主地位，作为元素半导体的金刚石很有潜力,但当务之急是必须解决n型高效掺杂问题(CMOS的基础)或者另辟蹊径实现二维电子气。

凯发k8国际协同国际专家团队，聚焦金刚石的研发、生产和销售，大力有助于金刚石宽禁带半导体材料的产业化开展。现已有金刚石热沉片、晶圆级金刚石等产品，质量水平已达国际领先。