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       半導(dǎo)體行業(yè)作為全球科技創(chuàng)新的核心動(dòng)力，體現(xiàn)了各國(guó)在技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。而半導(dǎo)體材料作為這一行業(yè)的關(guān)鍵，其性能直接決定了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平。自人造金剛石問(wèn)世以來(lái)，憑借其卓越的半導(dǎo)體特性，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。

       然而，盡管經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的探索與發(fā)展，金剛石材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨多重挑戰(zhàn)。一方面，高質(zhì)量金剛石半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)與加工依然困難重重；另一方面，金剛石半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造也存在關(guān)鍵技術(shù)瓶頸亟待突破。

       金剛石半導(dǎo)體有何優(yōu)勢(shì)？

       金剛石是一種由純碳元素組成的單質(zhì)，與石墨、納米碳管、富勒烯等均屬同素異形體，是一種集聲、光、熱、力、電，以及量子等眾多優(yōu)異性能于一身的多功能超極限材料。

       金剛石最引人關(guān)注的性質(zhì)是其電子學(xué)（半導(dǎo)體）特性。它具有超寬禁帶、高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)等優(yōu)異的電子學(xué)性質(zhì)，基于金剛石材料的半導(dǎo)體器件有望在高頻、大功率和高溫高壓，以及極端環(huán)境中運(yùn)行。金剛石通過(guò)摻雜等方式可呈現(xiàn)n型導(dǎo)電和p型導(dǎo)電，綜合性能遠(yuǎn)超GaAs、GaN和SiC等材料，是未來(lái)最有前景的（超）寬禁帶半導(dǎo)體材料。

       主要寬禁帶材料的參數(shù)對(duì)比

       金剛石半導(dǎo)體合成與加工

       目前，人工合成金剛石的主流方法可分為高溫高壓（HPHT）法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法兩大類。其中，HPHT法主要用于合成金剛石粉體（或小尺寸單晶），主要應(yīng)用于切割、磨削、拋光等機(jī)械工具領(lǐng)域。不過(guò)，HPHT法對(duì)于金剛石內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)的控制比較困難，目前還無(wú)法滿足半導(dǎo)體金剛石材料的合成需求。

高溫高壓法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

       CVD法可以制備高質(zhì)量的金剛石，因其優(yōu)越的腔室真空環(huán)境，使所制備的金剛石材料內(nèi)部雜質(zhì)較少。CVD法包括熱絲CVD法、等離子體噴射CVD法、微波等離子體CVD法。在這三種CVD方法中，微波等離子體CVD（MPCVD）法因?yàn)闆](méi)有電極污染而備受青睞。

CVD法合成技術(shù)簡(jiǎn)圖

       目前，MPCVD合成半導(dǎo)體金剛石材料的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)（2英寸及以上）、低缺陷的金剛石單晶。技術(shù)路線包括異質(zhì)外延法、同質(zhì)外延法（如拼接生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)）等。前者目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)4英寸單晶金剛石生長(zhǎng)，但是其內(nèi)部缺陷密度較高，與半導(dǎo)體材料的基本要求仍有較大差距。而后者目前僅能實(shí)現(xiàn)不大于2英寸的單晶金剛石生長(zhǎng)，且在拼接縫處存在缺陷聚集的問(wèn)題，成為限制該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

大尺寸單晶金剛石生長(zhǎng)路線示意圖

       金剛石半導(dǎo)體性能及器件設(shè)計(jì)

       由于本征的塊體金剛石是絕緣體，不具備導(dǎo)電性能，不能直接用于制作半導(dǎo)體器件。目前，金剛石的半導(dǎo)體化主要通過(guò)金剛石摻雜、表面氫化處理等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

       其中，金剛石的摻雜包括在金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中引入摻雜元素實(shí)現(xiàn)p型摻雜和n型摻雜，或者通過(guò)離子注入法向已經(jīng)制備的高質(zhì)量金剛石中摻入其他元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體化的最大問(wèn)題是摻雜難度非常大，尤其是n型摻雜。

       金剛石半導(dǎo)體化的另一種途徑是使用氫等離子對(duì)金剛石表面進(jìn)行處理，并暴露在空氣中，此時(shí)金剛石表面會(huì)形成一層二維空穴氣（2DHG）導(dǎo)電層，該方法已經(jīng)應(yīng)用在高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。

       金剛石在功率電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要面向高功率金剛石二極管和晶體管，針對(duì)高擊穿電壓、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高溫工作、低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度和常關(guān)器件等方向。

       在微波電子學(xué)領(lǐng)域，金剛石的應(yīng)用則主要以氫終端FET為主，并且向高fT/fmax和高功率密度方向發(fā)展。

       在量子計(jì)算領(lǐng)域，金剛石中的氮空位中心（NV center）具有獨(dú)特的量子特性，使其在量子計(jì)算領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。研究人員正在探索利用金剛石中的 NV center 實(shí)現(xiàn)量子比特的存儲(chǔ)和操作，為未來(lái)的量子計(jì)算技術(shù)提供新的解決方案。

       在光學(xué)器件領(lǐng)域，金剛石不僅在電學(xué)性能上表現(xiàn)出色，在光學(xué)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。金剛石具有高透明度、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于制造高性能的光學(xué)窗口、透鏡和棱鏡等器件。此外，金剛石還可以作為激光增益介質(zhì)，用于制造高功率激光器。

       金剛石半導(dǎo)體未來(lái)與發(fā)展趨勢(shì)

       展望未來(lái)，金剛石材料和功率器件領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)可能會(huì)集中在以下幾個(gè)方向。

       一是開(kāi)發(fā)出滿足功率半導(dǎo)體器件制造要求的2英寸以上金剛石單晶材料的制備技術(shù)。這包括基于拼接技術(shù)的同質(zhì)外延和基于模版襯底的異質(zhì)外延技術(shù)。

       二是獲得高質(zhì)量的n型摻雜技術(shù)，提高摻雜金剛石載流子濃度及遷移率，為研究金剛石功率器件奠定基礎(chǔ)。

       三是突破大面積金剛石單晶的劃片（剝離）技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體商業(yè)化應(yīng)用提供保障。

       四是加快核心裝備的自主創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)大功率MPCVD系統(tǒng)，以及相關(guān)配套裝備，突破國(guó)外在裝備領(lǐng)域的壟斷和封鎖。

       金剛石半導(dǎo)體材料及器件總有一天會(huì)以驚人的姿態(tài)“破繭而出”！