半導體行業(yè)作為全球科技創(chuàng)新的核心動力，體現(xiàn)了各國在技術領域的競爭力。而半導體材料作為這一行業(yè)的關鍵，其性能直接決定了半導體產(chǎn)業(yè)的技術水平。自人造金剛石問世以來，憑借其卓越的半導體特性，被譽為“終極半導體”。

       然而，盡管經(jīng)過了近半個世紀的探索與發(fā)展，金剛石材料在半導體領域的應用仍面臨多重挑戰(zhàn)。一方面，高質(zhì)量金剛石半導體材料的生長與加工依然困難重重；另一方面，金剛石半導體器件的設計和制造也存在關鍵技術瓶頸亟待突破。

       金剛石半導體有何優(yōu)勢？

       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。

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

       主要寬禁帶材料的參數(shù)對比

       金剛石半導體合成與加工

       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），主要應用于切割、磨削、拋光等機械工具領域。不過，HPHT法對于金剛石內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)的控制比較困難，目前還無法滿足半導體金剛石材料的合成需求。

高溫高壓法結構簡圖

       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）法因為沒有電極污染而備受青睞。

CVD法合成技術簡圖

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

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖

       金剛石半導體性能及器件設計

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

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

       金剛石半導體化的另一種途徑是使用氫等離子對金剛石表面進行處理，并暴露在空氣中，此時金剛石表面會形成一層二維空穴氣（2DHG）導電層，該方法已經(jīng)應用在高性能的場效應晶體管器件。

       金剛石在功率電子學領域的應用主要面向高功率金剛石二極管和晶體管，針對高擊穿電壓、高擊穿場強、高溫工作、低導通電阻、高開關速度和常關器件等方向。

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

       在量子計算領域，金剛石中的氮空位中心（NV center）具有獨特的量子特性，使其在量子計算領域有著潛在的應用價值。研究人員正在探索利用金剛石中的 NV center 實現(xiàn)量子比特的存儲和操作，為未來的量子計算技術提供新的解決方案。

       在光學器件領域，金剛石不僅在電學性能上表現(xiàn)出色，在光學領域也有著廣泛的應用。金剛石具有高透明度、高硬度和良好的化學穩(wěn)定性，可用于制造高性能的光學窗口、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。

       金剛石半導體未來與發(fā)展趨勢

       展望未來，金剛石材料和功率器件領域的發(fā)展重點可能會集中在以下幾個方向。

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

       二是獲得高質(zhì)量的n型摻雜技術，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。

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

       四是加快核心裝備的自主創(chuàng)新，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)大功率MPCVD系統(tǒng)，以及相關配套裝備，突破國外在裝備領域的壟斷和封鎖。

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