用金剛石制造半導體器件，難在哪？

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質，與此同時，實際上金剛石還是一種絕佳的半導體材料。作為超寬禁帶半導體材料，金剛石具備擊穿場強高、耐高溫、抗輻照等性能，在輻射探測、光電探測、功率器件等領域都有很大的應用前景。

國內金剛石半導體發展現狀

金剛石作為一種硬度極高的材料，最早人工制備的用途主要在刀具、鉆頭、磨具、線鋸、鋸片、拉絲模等工業加工耗材上。實際上，自1963年成功研制出第一顆人造金剛石后，經過60多年的發展，目前中國已經是世界上人造金剛石產量最高的國家，占全球總產量90%以上。

不過中國金剛石產業主要集中在中低端應用市場，就像前面提到的工業加工領域。當然，在珠寶領域的人造鉆石市場也在國內蓬勃發展，但在功能性應用的領域，國內對金剛石材料的開發則較為落后。

西安電子科技大學蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內金剛石發展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領域處于落后。在CVD金剛石研究領域，從專利分布來看，美國、歐洲、日本的研究處于領先地位，我國發展相對緩慢，原創性研究偏少。

在“十三五”重點研發計劃支持下，國內拼接外延大尺寸金剛石單晶已經達到國際并跑的水平；在異質外延單晶方面，國內已經取得開創性進展，但尺寸和質量仍存在較大差距，計劃“十四五”實現追趕或超越。

其中，半導體應用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級、探測器級單晶至今仍是英國元素六公司的壟斷產品，國內仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導體，市場格局仍遠未形成壟斷，在半導體領域商業化仍未實現規?；?，因此未來仍有很大的市場機會。

金剛石半導體發展難點

金剛石材料生長目前主要有兩種方法，HTHP（高溫高壓法）和CVD（化學氣相沉積）。HTHP法是較為成熟的金剛石制備方法，利用設備模擬自然高壓高溫環境，以石墨為原材料，通過加入催化劑來合成單晶金剛石。這種方法產量大成本低，主要被用于制造刀具、鉆頭等工業加工耗材，或是培育鉆石飾品。

而CVD法制備金剛石，是通過氣體導入反應室，通過高溫化學反應，形成金剛石并沉積在籽晶表面，沉積溫度一般為700℃至1200℃。CVD法制備的金剛石純度更高，主要用于光、電、聲等功能性材料，少部分用于鉆石飾品。

對于金剛石半導體，大尺寸拼接單晶、異質外延、摻雜、器件可靠性等都是現階段存在的問題。作為半導體材料，首先晶圓尺寸決定了產能的大小，像碳化硅晶圓尺寸正在從6英寸轉向8英寸，硅晶圓目前也繼續大力發展12英寸的產能。

但金剛石目前從單晶和多晶的晶片上看，尺寸都受到很大限制，原因是金剛石大尺寸的襯底材料缺乏。采用異質外延襯底、襯底拼接等方式得到的大尺寸金剛石外延材料缺陷則過高，難以用于半導體器件制造，1-2英寸的金剛石晶圓顯然是難以實現商業化的。

金剛石材料本身屬于絕緣體，通過硼摻雜可以實現p型導電，但硼摻雜金剛石的電離能較高，在室溫下很難完全電離，而重摻雜又會導致金剛石表面缺陷，半導體性質下降，這也是限制了金剛石作為半導體器件材料的重要因素。

小結

目前，在深紫外探測器應用中，金剛石由于本身材料優勢，在工藝上可以避開摻雜問題，所以在商業化上走得比較前。從材料特性來看，金剛石外延氮化鎵、金剛石MOSFET等領域都有很大的性能優勢，未來可期。