电子展|金刚石——作为“终极半导体”的崛起之旅

半导体产业是全球技术革新的关键引擎，它反映了各国在科技竞技场上的较量。半导体材料，作为这一领域的基石，其性能优劣直接关乎半导体产业的技术进步。自从人造金刚石被开发出来，它就因其非凡的半导体属性，被冠以“终极半导体材料”的美誉。

然而，尽管经过了近半个世纪的探索与发展，金刚石材料在半导体领域的应用仍面临多重挑战。一方面，高质量金刚石半导体材料的生长与加工依然困难重重；另一方面，金刚石半导体器件的设计和制造也存在关键技术瓶颈亟待突破。

电子展了解到，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，是未来十分有前景的（超）宽禁带半导体材料。

电子展了解到，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。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。

电子展了解到，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。

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。

在光学元件的应用中，金刚石不仅在电学特性上表现卓越，它在光学应用上同样具有巨大的潜力。金刚石的高透光性、极高的硬度以及出色的化学惰性，使其成为制造优质光学窗口、透镜和棱镜等元件的理想材料。而且，金刚石还能作为激光介质，用于开发高功率的激光设备。

文章来源：DT半导体