用金刚石制造半导体器件，难在哪？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，与此同时，实际上金刚石还是一种绝佳的半导体材料。作为超宽禁带半导体材料，金刚石具备击穿场强高、耐高温、抗辐照等性能，在辐射探测、光电探测、功率器件等领域都有很大的应用前景。
 
国内金刚石半导体发展现状
 
金刚石作为一种硬度极高的材料，最早人工制备的用途主要在刀具、钻头、磨具、线锯、锯片、拉丝模等工业加工耗材上。实际上，自1963年成功研制出第一颗人造金刚石后，经过60多年的发展，目前中国已经是世界上人造金刚石产量最高的国家，占全球总产量90%以上。
 
不过中国金刚石产业主要集中在中低端应用市场，就像前面提到的工业加工领域。当然，在珠宝领域的人造钻石市场也在国内蓬勃发展，但在功能性应用的领域，国内对金刚石材料的开发则较为落后。
 
西安电子科技大学芜湖研究院副院长王东曾在报告中提到，国内金刚石发展大而不强，在高端装备、电子级材料等众多领域处于落后。在CVD金刚石研究领域，从专利分布来看，美国、欧洲、日本的研究处于领先地位，我国发展相对缓慢，原创性研究偏少。
 
在“十三五”重点研发计划支持下，国内拼接外延大尺寸金刚石单晶已经达到国际并跑的水平；在异质外延单晶方面，国内已经取得开创性进展，但尺寸和质量仍存在较大差距，计划“十四五”实现追赶或超越。
 
其中，半导体应用中高载流子迁移率寿命乘积的电子级、探测器级单晶至今仍是英国元素六公司的垄断产品，国内仍有待攻克。
 
但作为一种新兴的材料，相比于硅基半导体，市场格局仍远未形成垄断，在半导体领域商业化仍未实现规模化，因此未来仍有很大的市场机会。
 
金刚石半导体发展难点
 
金刚石材料生长目前主要有两种方法，HTHP（高温高压法）和CVD（化学气相沉积）。HTHP法是较为成熟的金刚石制备方法，利用设备模拟自然高压高温环境，以石墨为原材料，通过加入催化剂来合成单晶金刚石。这种方法产量大成本低，主要被用于制造刀具、钻头等工业加工耗材，或是培育钻石饰品。
 
而CVD法制备金刚石，是通过气体导入反应室，通过高温化学反应，形成金刚石并沉积在籽晶表面，沉积温度一般为700℃至1200℃。CVD法制备的金刚石纯度更高，主要用于光、电、声等功能性材料，少部分用于钻石饰品。
 
对于金刚石半导体，大尺寸拼接单晶、异质外延、掺杂、器件可靠性等都是现阶段存在的问题。作为半导体材料，首先晶圆尺寸决定了产能的大小，像碳化硅晶圆尺寸正在从6英寸转向8英寸，硅晶圆目前也继续大力发展12英寸的产能。
 
但金刚石目前从单晶和多晶的晶片上看，尺寸都受到很大限制，原因是金刚石大尺寸的衬底材料缺乏。采用异质外延衬底、衬底拼接等方式得到的大尺寸金刚石外延材料缺陷则过高，难以用于半导体器件制造，1-2英寸的金刚石晶圆显然是难以实现商业化的。
 
金刚石材料本身属于绝缘体，通过硼掺杂可以实现p型导电，但硼掺杂金刚石的电离能较高，在室温下很难完全电离，而重掺杂又会导致金刚石表面缺陷，半导体性质下降，这也是限制了金刚石作为半导体器件材料的重要因素。
 
小结
 
目前，在深紫外探测器应用中，金刚石由于本身材料优势，在工艺上可以避开掺杂问题，所以在商业化上走得比较前。从材料特性来看，金刚石外延氮化镓、金刚石MOSFET等领域都有很大的性能优势，未来可期。