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超宽禁带半导体:金刚石要揽“瓷器活”?!

来源:赛迪传媒  作者:陈炳欣  投稿时间:2022-04-04

以SiC/GaN为代表的宽禁带半导体已逐渐在5G通信、汽车电子、快速充电等方面得到大量应用。与此同时,研究人员和相关企业仍在研究开发其他的宽带隙材料。金刚石、氮化铝和氧化镓等具有更宽的禁带宽度,被称为超宽禁带半导体,未来有可能用来制造具有更低电阻、更高工作功率、更高耐温的功率器件,因此研发热度一直不减。近来,持续有关于金刚石研发进展的消息传出,涉及大尺寸金刚石晶圆制备、金刚石材料的N 型掺杂以及金刚石器件研究等多个关键环节,显示金刚石作为新一代宽禁带半导体材料的现实应用也将迎来曙光。

材料性能突出,应用前景广阔

业界一般将禁带宽度大于2.3电子伏特(eV)的半导体材料称为宽禁带半导体材料。碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,氮化镓则紧随其后。与此同时,业界也在积极开发新的宽禁带半导体材料。金刚石就是俗称的“金刚钻”,具有更宽的禁带宽度,成为国际前沿研究热点。

中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟相关报告显示,金刚石半导体材料的禁带宽度达5.45 eV,热导率是已知半导体材料中最高的,因而是一种极具有优势的半导体材料,可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求,是制作功率半导体器件的理想材料。在智能电网、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。

北京科技大学新材料技术研究院教授李成明表示,相对于硅材料、氮化镓、碳化硅等,金刚石除了禁带宽度以来,最大优势在于更高的载流子迁移率(空穴:3800 cm2•V-1•s-1,电子:4500 cm 2•V-1•s-1) 、更高的击穿电场(>10 MV•cm-1 )、更大的热导率( 22 W•K-1•cm-1),其本征材料优势是具有自然界最高的热导率以及最高的体材料迁移率,优异的电学特性承载了人类将金刚石称为终极半导体的巨大期望。

西安电子科技大学教授张金风也指出,金刚石属于新兴的超宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、耐击穿、载流子迁移率高、热导率极高、抗辐照等优点。在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。

从材料到器件,研发进展显著

正是由于金刚石的性能,人们很早就开启了对金刚石的开发研究。20世纪70年代,美国科学家开发出利用高温高压法(HPHT)生长小块状金刚石单晶,开启了金刚石研究的热潮。近年来随着后摩尔时代的来临,人们在新材料领域的研发投入不断增长,也加速了金刚石等超宽禁带半导体材料的开发。

根据李成明的介绍,近年来金刚石功率电子学在材料和器件方面均有新的技术突破。在材料方面,采用高温高压法制备的单晶金刚石直径已达20mm,且缺陷密度较低。如果是采用化学气相沉积(CVD)法,同质外延生长的独立单晶薄片具有缺陷密度低的特点,最大尺寸可达1英寸;采用“平铺克隆”晶片的马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2 英寸。而采用金刚石异质外延技术的晶圆可达4 英寸。如果是低成本的异质外延CVD 法,金刚石多晶薄膜的发展和应用已很活跃,晶圆已达8 英寸,已可作为导热衬底,用于新一代GaN功率电子器件。

金刚石材料的掺杂技术是形成功率器件的基础,一直也是研究的热点。由于金刚石的密排结构与小间隙。传统的元素掺杂技术通常会引起金刚石严重的晶格畸变,并导致深能级掺杂,室温载流子激活困难。因此过去20多年来,N 型掺杂技术一直被认为是一个难点。近期相关报道显示,N型掺杂金刚石材料取得突破性进展,掺杂浓度达1020 cm-3。李成明认为,从研发趋势上看,未来的金刚石异质结很可能打破人们的惯性思维,掺杂可能仅仅是名词上的沿用,真正的内涵将完全颠覆人们现阶段的认知。

金刚石器件方面的研究也有诸多进展。资料显示,金刚石二极管已有初步的实验应用,金刚石MOSFET 和氢终端射频FET 的研究明显加快,4 英寸多晶金刚石上的GaN HEMT 获得突破性进展。

近日,日本国立材料科学研究所的研究人员在高温高压工艺中合成的 IIa 型 (111) 单晶金刚石上制造了一种高迁移率 P 沟道宽带隙异质结场效应晶体管(FET)。该项研究解决了由低空穴迁移率引起的 P 沟道 WBG FET 中的高导通电阻和高导通损耗问题,为制造基于金刚石的 P 沟道FET铺平了道路。

从材料生长、器件结构、器件工艺等方面,金刚石的研发都有很大的进展,这为金刚石早日得到真正市场应用开启了新的契机。

尚处研发待突破阶段,不宜过度炒作

不过相关行业专家也指出,尽管取得许多进展,金刚石目前仍处于基础研究尚待突破阶段,在材料、器件等方面都有大量科学问题尚需攻克,不宜过热跟进炒作。

李成明表示,金刚石目前实现商业应用尚有较大距离。金刚石材料的高成本和小尺寸是制约金刚石功率电子学发展的主要障碍。举例而言,CVD 制备中掺氮的金刚石单晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位错密度目前可低至400 cm-2 ; 但金刚石异质外延技术的晶圆达4~8 英寸时,位错密度仍高达近107 cm-2量级,高缺陷密度仍是一个挑战。

至于我国在金刚石方面的研究,相关专家指出,我国作了大量的探索性研究工作,但是与先进国家相比还有巨大差距,主要表现在:关键工艺设备依赖进口,没有自主知识产权,容易遭到国外封锁;单晶金刚石衬底无法在国内稳定获取;没有先进的大尺寸单晶金刚石薄膜的生长工艺等。

因此,未来金刚石材料和功率器件的发展重点应集中在几个方向:首先是要开发出满足功率半导体器件制造要求的2~4英寸金刚石单晶衬底制备技术。特别是应重点突破2~4英寸金刚石单晶材料技术,材料质量可以满足金刚石功率器件研发的需求。其次是在高质量金刚石N型掺杂技术方面进一步取得突破,提高电子和空穴迁移率,为研制金刚石功率器件奠定基础。第三是掌握金刚石器件研制的核心关键工艺,研制出高性能的金刚石功率器件。开展金刚石材料和器件关键设备的研发,获得自主知识产权,并实现商业化。(通讯员:任凌雨)

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