金剛石半導體發(fā)展日趨產(chǎn)業(yè)化？
當前，金剛石的市場應用大致可分成三個方向，一是可以用作裝飾鉆石，相關用途人們較為熟悉；二是可以做成金剛石膜，這是一種優(yōu)質的散熱材料；三是經(jīng)摻雜以后形成半導體材料。這一應用領域尚處于實驗階段，但其發(fā)展前景被業(yè)界廣泛看好。據(jù)專家介紹，金剛石被視為“終極半導體”材料，具有超寬禁帶、高導熱系數(shù)、高硬度的特點。但由于硬度最高，實現(xiàn)半導體級別的高純凈度也最為困難，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有相當?shù)木嚯x。
中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關報告顯示，金剛石半導體材料的禁帶寬度達5.45 eV，熱導率是已知半導體材料中最高的，因而是一種極具優(yōu)勢的半導體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領域有著廣闊的應用前景。
北京科技大學新材料技術研究院教授李成明表示，相對于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以來，最大優(yōu)勢在于更高的載流子遷移率(空穴:3800cm2?V-1?s-1，電子:4500 cm2?V-1?s-1) 、更高的擊穿電場(＞10 MV?cm-1 )、更大的熱導率( 22 W?K-1?cm-1)，空穴:3800 cm2?V-1?s-1，電子:4500cm 2?V-1?s-1) 、更高的擊穿電場(＞10 MV?cm-1 )、更大的熱導率( 22 W?K-1?cm-1)，其本征材料優(yōu)勢是具有自然界最高的熱導率以及最高的體材料遷移率，優(yōu)異的電學特性承載了人類將金剛石稱為終極半導體的巨大期望。
從研發(fā)進展情況來看，由于金剛石的性能優(yōu)勢，人們很早就開啟了對金剛石的研究。20世紀70年代，美國科學家開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。近年來隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領域的研發(fā)投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導體材料的開發(fā)。
根據(jù)專家介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和器件方面均有新的技術突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學氣相沉積(CVD)法，同質外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2 英寸。而采用金剛石異質外延技術的晶圓可達4 英寸。如果是低成本的異質外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應用已很活躍，晶圓已達8 英寸，已可作為導熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。
金剛石材料的摻雜技術是形成功率器件的基礎，一直也是研究的熱點。由于金剛石的密排結構與小間隙。傳統(tǒng)的元素摻雜技術通常會引起金剛石嚴重的晶格畸變，并導致深能級摻雜，室溫載流子激活困難。因此過去20多年來，N 型摻雜技術一直被認為是一個難點。近期相關報道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進展，摻雜濃度達1020 cm-3。
金剛石器件方面的研究也有諸多進展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實驗應用，金剛石MOSFET 和氫終端射頻FET 的研究明顯加快，4 英寸多晶金剛石上的GaN HEMT 獲得突破性進展。從材料生長、器件結構、器件工藝等方面，金剛石的研發(fā)都有很大的進展，這為金剛石早日得到真正市場應用開啟了新的契機。
盡管未來前景廣闊，目前金剛石仍處于基礎研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學問題尚需攻克。對此，吳全就指出，從實驗室研究到生產(chǎn)制造來講，金剛石與其他半導體的程序性流程并無太大差異。就“一代材料，一代工具，一代設備，一代工藝，一代器件，一代產(chǎn)品、一代系統(tǒng)”的通常延展式研究和開發(fā)鏈條來講，金剛石的材料屬性，尤其是硬度、導熱、寬帶隙的特征，拔高了各個環(huán)節(jié)的難度和門檻。如，長晶時間長、晶圓尺寸尚小、切割難度尚大，以及由此引發(fā)的成本偏高，諸如系列因素致使金剛石在全球半導體領域的應用仍處于前期預研或產(chǎn)業(yè)化的早期階段。
“我國在金剛石的產(chǎn)業(yè)化上擁有很好的基礎與優(yōu)勢，擁有全球金剛石行業(yè)規(guī)則制定及產(chǎn)品定價的話語權，金剛石單晶、微粉和制造的市場占有率超過90%，制作成砂輪、切割線、刀具等多種形態(tài)產(chǎn)品，廣泛應用于下游石油鉆探、石材切割、光伏切割等市場，使用范圍廣、應用場景多，也出現(xiàn)了如惠豐鉆石、黃河旋風、岱勒新材和美暢股份等若干家金剛石相關的上市公司。下一步的發(fā)展重點，更多在半導體領域。國內廠家對發(fā)揮金剛石電子電力即半導體性能的認識上，與國際基本同步。但受限于國內半導體工具、裝備及其工藝水平的爬坡，或者說與國外的差距，我們在這塊尚未形成突破或優(yōu)勢，瓶頸仍在半導體范疇。”吳全表示。
相關行業(yè)專家也指出，未來金剛石材料和功率器件的發(fā)展重點應集中在幾個方向：首先是要開發(fā)出滿足功率半導體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術。特別是應重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術，材料質量可以滿足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質量金剛石N型摻雜技術方面進一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎。第三是掌握金剛石器件研制的核心關鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件,提高穩(wěn)定性。開展金剛石材料和器件關鍵設備的研發(fā)，獲得自主知識產(chǎn)權，并實現(xiàn)商業(yè)化。
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