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細(xì)數(shù)國外金剛石半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展情況
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?,目前正成為國際競爭的新熱點(diǎn)。
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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室卡耐基研究院、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(jí))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(jí)單晶,雜質(zhì)總含量可以控制在5ppb(ppb為十億分之一),位錯(cuò)密度在103~104個(gè)/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(shí)現(xiàn)了電子級(jí)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(jí)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(shí)現(xiàn)了方形金剛石在6個(gè)面上同時(shí)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(cuò)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(shí)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(cuò)密度較高。
摻雜技術(shù)
實(shí)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(duì)容易,目前,金剛石摻硼的p型材料已基本成熟并實(shí)用化。但這種方法需要高溫(1450 ℃)加熱,會(huì)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(shí)現(xiàn)金剛石單晶體的摻雜,不僅需要較高的注入功率,還會(huì)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(shí)現(xiàn)硼原子在金剛石單晶體中的摻雜,具有簡單、廉價(jià)、易操作等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)了選擇性摻雜,在器件制造時(shí)可實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(bào)道的最高值。據(jù)新的報(bào)道,NTT已實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室生長的電子級(jí)金剛石制備和應(yīng)用,據(jù)報(bào)道,AKHAN已獲美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(gè)真正實(shí)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(tái)”作為解決方案,可實(shí)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(tái)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(diǎn),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(xiàng)專利,覆蓋幾乎所有半導(dǎo)體元件的基本材料,知識(shí)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(duì)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(shí),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(duì)金剛石層實(shí)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(gè)厚的空穴載流子溝道,通過在柵極施加電壓,可對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。隨后,研究人員將對(duì)深層耗盡氧終止金剛石MOSFET進(jìn)行產(chǎn)品試生產(chǎn)。
其實(shí)國內(nèi)有十幾個(gè)團(tuán)隊(duì)一直在堅(jiān)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(shí)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(duì)一些高新行業(yè)產(chǎn)生顯著影響,包括更快的超級(jí)計(jì)算機(jī)、先進(jìn)的雷達(dá)和電信系統(tǒng)、超高效混合動(dòng)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(shí)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(gè)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(huì)針對(duì)金剛石模塊,除重點(diǎn)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(huì)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(shí)代。

主題論壇部分參考話題

 金剛石和碳基薄膜材料在高端制造加工應(yīng)用分論壇

金剛石行業(yè)宏觀現(xiàn)狀

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高溫高壓合成超硬材料現(xiàn)狀解讀

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人造金剛石珠寶市場發(fā)展解讀


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高溫高壓合成超硬材料現(xiàn)狀解讀

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大腔體靜高壓技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)問題研究

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大單晶金剛石合成設(shè)備及新工藝分享

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CVD法合成金剛石及摻雜工藝介紹

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大面積、高質(zhì)量金剛石薄膜合成工藝

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納米(聚晶)金剛石制備工藝介紹

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高質(zhì)量金剛石微粉生產(chǎn)及現(xiàn)狀介紹

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CBN工具的開發(fā)及應(yīng)用


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天然、單晶、多晶、聚晶金剛石刀具的開發(fā)及應(yīng)用

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納米金剛石功能材料和器件分論壇

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