中国粉体网讯 半导体行业是当今世界科技创新的重要驱动力，也是体现各国竞争力的重要标志。半导体材料作为半导体行业的核心，其性能的高低直接决定了半导体产业的技术水平。人造金刚石自问世以来，即以其优异的半导体特性，被赋予了“终极半导体”的美誉。
然而，经过近半个世纪的发展，金刚石材料的半导体应用之路，既面临高质量金刚石半导体材料的生长加工难题，也有金刚石半导体器件设计的关键瓶颈等亟待攻克的技术难题。
金刚石半导体有何优势？
金刚石是一种由纯碳元素组成的单质，与石墨、纳米碳管、富勒烯等均属同素异形体，是一种集声、光、热、力、电，以及量子等众多优异性能于一身的多功能超极限材料。
金刚石最引人关注的性质是其电子学（半导体）特性。它具有超宽禁带、高载流子迁移率、高热导率和低介电常数等优异的电子学性质，基于金刚石材料的半导体器件有望在高频、大功率和高温高压，以及极端环境中运行。金刚石通过掺杂等方式可呈现n型导电和p型导电，综合性能远超GaAs、GaN和SiC等材料，是未来最有前景的（超）宽禁带半导体材料。
主要宽禁带材料的参数对比
金刚石半导体合成与加工
目前，人工合成金刚石的主流方法可分为高温高压（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法两大类。其中，HPHT法主要用于合成金刚石粉体（或小尺寸单晶），主要应用于切割、磨削、抛光等机械工具领域。不过，HPHT法对于金刚石内部缺陷和杂质的控制比较困难，目前还无法满足半导体金刚石材料的合成需求。
高温高压法结构简图
CVD法可以制备高质量的金刚石，因其优越的腔室真空环境，使所制备的金刚石材料内部杂质较少。CVD法包括热丝CVD法、等离子体喷射CVD法、微波等离子体CVD法。在这三种CVD方法中，微波等离子体CVD（MPCVD）法因为没有电极污染而备受青睐。
CVD法合成技术简图
目前，MPCVD合成半导体金刚石材料的主要目标是实现晶圆级（2英寸及以上）、低缺陷的金刚石单晶。技术路线包括异质外延法、同质外延法（如拼接生长和三维生长）等。前者目前已经可以实现4英寸单晶金刚石生长，但是其内部缺陷密度较高，与半导体材料的基本要求仍有较大差距。而后者目前仅能实现不大于2英寸的单晶金刚石生长，且在拼接缝处存在缺陷聚集的问题，成为限制该技术发展的关键瓶颈。
大尺寸单晶金刚石生长路线示意图
金刚石半导体性能及器件设计
由于本征的块体金刚石是绝缘体，不具备导电性能，不能直接用于制作半导体器件。目前，金刚石的半导体化主要通过金刚石掺杂、表面氢化处理等方式来实现。
其中，金刚石的掺杂包括在金刚石生长过程中引入掺杂元素实现p型掺杂和n型掺杂，或者通过离子注入法向已经制备的高质量金刚石中掺入其他元素来实现。实现金刚石半导体化的最大问题是掺杂难度非常大，尤其是n型掺杂。
金刚石半导体化的另一种途径是使用氢等离子对金刚石表面进行处理，并暴露在空气中，此时金刚石表面会形成一层二维空穴气（2DHG）导电层，该方法已经应用在高性能的场效应晶体管器件。
金刚石在功率电子学领域的应用主要面向高功率金刚石二极管和晶体管，针对高击穿电压、高击穿场强、高温工作、低导通电阻、高开关速度和常关器件等方向。
在微波电子学领域，金刚石的应用则主要以氢终端FET为主，并且向高fT/fmax和高功率密度方向发展。
在量子计算领域，金刚石中的氮空位中心（NV center）具有独特的量子特性，使其在量子计算领域有着潜在的应用价值。研究人员正在探索利用金刚石中的 NV center 实现量子比特的存储和操作，为未来的量子计算技术提供新的解决方案。
在光学器件领域，金刚石不仅在电学性能上表现出色，在光学领域也有着广泛的应用。金刚石具有高透明度、高硬度和良好的化学稳定性，可用于制造高性能的光学窗口、透镜和棱镜等器件。此外，金刚石还可以作为激光增益介质，用于制造高功率激光器。
金刚石半导体未来与发展趋势
展望未来，金刚石材料和功率器件领域的发展重点可能会集中在以下几个方向。
一是开发出满足功率半导体器件制造要求的2英寸以上金刚石单晶材料的制备技术。这包括基于拼接技术的同质外延和基于模版衬底的异质外延技术。
二是获得高质量的n型掺杂技术，提高掺杂金刚石载流子浓度及迁移率，为研究金刚石功率器件奠定基础。
三是突破大面积金刚石单晶的划片（剥离）技术，为实现金刚石半导体商业化应用提供保障。
四是加快核心装备的自主创新，开发出具有自主知识产权的国产大功率MPCVD系统，以及相关配套装备，突破国外在装备领域的垄断和封锁。
金刚石半导体材料及器件总有一天会以惊人的姿态“破茧而出”！
参考来源：
1.方啸虎等：培育大单晶金刚石的现状与未来. 超硬材料工程
2.谢文良：单晶金刚石MPCVD外延生长的关键问题研究. 吉林大学
3.高旭辉：金刚石—终极半导体的“破茧”之路. 科学咨询
（中国粉体网编辑整理/轻言）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
