金刚石能力很强但为何鲜见应用？

能力很强但为何鲜见应用

目前来说，金刚石在半导体中既可以充当衬底，也可以充当外延（在切、磨、抛等加工后的单晶衬底上生长一层新单晶的过程），单晶和多晶也均有不同用途。

在CVD生长技术、马赛克拼接技术、同质外延生长技术、异质外延生长技术的推动下，大尺寸单晶金刚石(SCD)的制备逐渐走向成熟 。HTHP法制备单晶金刚石直径已达20mm；

CVD法同质外延生长的独立单晶薄片最大尺寸可达1英寸；采用马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2英寸 ；采用金刚石异质外延技术的晶圆也已达到4~8英寸；除此之外，金刚石还会充当导热衬底，如金刚石基GaN晶圆已达8英寸。

不仅如此，在器件应用上，金刚石的应用体系又与硅基半导体相兼容 。如此有利的条件和众多突破下，行业似乎仍然没有拿得出手的产品，问题到底出现在哪里？

掺杂是拦路虎

目前来说，金刚石半导体的p型掺杂已经比较成熟，但n型掺杂依旧有许多问题远未解决，n型掺杂元素在金刚石中具有高电离能，很难找到合适的施主元素。

n型掺杂中，含氮（N）金刚石电阻率较高 ；硫（S）在金刚石溶解度很低，薄膜质量不高，有较多非晶相；磷（P）是应用最为广泛也是公认最有潜力的掺杂元素，但金刚石中氢原子会钝化磷原子，抑制磷原子电离，致使电阻率高。

不过，n型掺杂已取得很大进展，还有一些研究发现，硼氮协同掺杂所获得的金刚石大单晶电导率比单一硼掺杂金刚石提高了10~100倍。

反观同属第四代半导体材料的氮化铝（AlN）和氧化镓（Ga2O 3 ），同样拥有掺杂的困境：如氮化铝（AlN）的n型掺杂已实现，p型掺杂却只停留在理论阶段，氧化镓（Ga2O 3 ）暂时无法实现稳定的p型掺杂。

造芯的讲究多

集成电路的制造包话许多单项工艺，它们对材料都有一些特殊的要求，与此同时，各项工艺还会存在相容性的问题。不得不说，从金刚石到晶圆再到芯片的路上，充满了困境，逐一解决这些问题会是一个长线的研究过程。

如在金刚石双面点状掺杂形成PN节 ；再如，利用表面转移掺杂来制造金刚石FET，使得金刚石FET的设计和制造不同于标准器件 ；另外，金刚石的氧化物为气体，没有适合于器件应用的固态本征氧化物，这为一些器件如MOS的设计和制作带来困难，在光刻掩膜等工艺上也有诸多不便。

虽然几十年间，行业已经攻破诸多问题，但当金刚石真正做到产业内部时，是否能够经受得住最终产品的考验，谁都无法说清楚。

尺寸和成本是关键

首先，晶圆尺寸越大，可生产的芯片就越多，金刚石也是同样道理，只有大尺寸晶圆才能引领商业化的未来。但就目前来说，金刚石大尺寸衬底材料缺乏，且普遍采用的异质外延衬底、衬底拼接等方法得到的大尺寸外延材料内部缺陷过多，以CVD掺氮金刚石为例，目前尺寸为6mm x 7mm的金刚石单晶薄片位错密度可低至400cm ^-2^ ，但4~8英寸的金刚石异质外延晶圆位错密度接近10^7^cm ^-2^ 。

其次，让金刚石进入产业链就要足够便宜。与硅相比，碳化硅（SiC）的价格是硅的3040倍，氮化镓（GaN）的价格是硅的6501300倍，而用于半导体研究的合成金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。如果以这种价格来看，即使它能够有效提高芯片的功效，TCO（总拥有成本）也会被高材料成本所淹没。

既然如此困难，是否意味着只得放弃？并非如此，事实上，金刚石仍然被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料 ，虽然目前存在一些问题，但市场仍然会接纳新事物的到来。