美、日、欧金刚石半导体材料和器件发展研究

美尧日尧欧金刚石半导体材料和器件发展研究史

超

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）

摘

要：金刚石属于超宽带隙半导体材料，具有优异的物理和化学性质，目前正成为国际竞争的新热点。现介绍了金刚石半导体材

料和相关电子器件在日本、欧洲、美国的发展现状，重点阐述了单晶材料生长、掺杂工艺、衬底和外延技术等进展，以及金刚石功率电子器件的最新成果，包括金刚石PIN二极管、金刚石场效应晶体管等。分析了金刚石半导体器件产品化需要突破的关键技术，对国际上金刚石半导体材料和器件的发展进行了展望。

关键词：金刚石；超宽禁带；晶体生长；掺杂；功率电子器件

0引言

超宽禁带半导体是禁带宽度在4.5eV以上的半导体材料，

单晶，杂质总含量可以控制在5ppb（ppb为十亿分之一），位错密度在103～104个/cm2之间，是全球金刚石晶体管、金刚石量子通信技术和金刚石高能粒子探测器研制所需高质量金刚石单晶的主要提供者。多晶方面，目前已实现了电子级4英寸多晶金刚石商业化生产。2017年，德国奥格斯堡大学通过异质外延技术实现了直径92mm、155克拉的大尺寸单晶金刚石材料，为大尺寸单晶金刚石的研制提供了新的技术途径和希望，但由于采用异质外延导致位错密度较高。

2012年，美国卡耐基研究院称在制造克拉级无色CVD金刚石方面取得重要进展，制造出无色单晶金刚石，加工后重达

2.3克拉，生长速率达50滋m/h。而且，卡耐基已实现方形金刚石在6个面上同时生长，使得大单晶金刚石生

介电常长成为可能。数着r

日本AIST于2010年使用MPCVD制备出尺寸达

5.712mm的单晶金刚石和25mm的马赛克晶片。2013年

AIST继续扩大晶体尺寸，获得了38.1mm（1.5英寸）金

9.78.911.8

主要包括金刚石、氮化铝、氧化镓等，目前正成为国际竞争的新热点。金刚石作为超宽带隙半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等。金刚石与硅、碳化硅、氮化镓材料的主要性能对照如表1所示[1-5]。基于这些优异的性能参数，金刚石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，被业界誉为“终极半导体”。

表1金刚石与其他材料的特性对比

材料种类金刚石SiCGaNSi

带隙

热导率姿/

击穿电场强度

迁移率滋/3800（空穴）1000（电子）2000（电子）1400（电子）

饱和速率Vsat（×107cm/s）1.5～2.7（电子）2.0（电子）

2.51.0

EG/eV[W/（cm·K）]EB/（MV/cm）（cm2/Vs）5.53.273.41.12

224.91.51.5

103.02.50.3

4500（电子）0.85～1.2（空穴）

刚石片，2014年借助于同质外延技术和马赛克生长技术成功获得50.8mm（2英寸）单晶金刚石，但其杂质和位错密度高。1.2掺杂技术

11.1美、日、欧金刚石半导体材料发展现状金刚石晶备

天然金刚石在地球上的储量非常稀少，且尺寸小、价格

由于金刚石优异的特性，将金刚石用于制作半导体功率电子器件受到越来越多的关注。但实现金刚石半导体器件产品化的最大问题是掺杂难度非常大，尤其是n型掺杂，p型掺杂相对容易。目前，金刚石硼掺杂技术已趋于成熟，金刚石掺硼的p型材料已基本实用化。但这种方法需要高温（1450℃）加

热，会导致多重晶体堆积的问题，所制造的半导体器件性能不如单晶体。而如果采用在晶体生产过程中注入硼原子的方法来实现金刚石单晶体的掺杂，不仅需要较高的注入功率，还会降低金刚石晶体的性能。

2016年，美国在金刚石掺杂技术上获得突破，研发出一种低温金刚石单晶体掺杂新工艺，可在较低温度实现硼原子在金刚石单晶体中的掺杂，具有简单、廉价、易操作等优点[6]。新工艺的核心是增加了“硅”，即在金刚石单晶体上附着一层带有硼掺杂的硅，然后加热到800℃，硼原子就可以从硅中移动到金刚石中。通过将硅附着到金刚石晶体表面的特殊位置，能产生带有特定性能的金刚石，从而实现了选择性掺杂，在器件制造时可实现更高的控制力，将金刚石半导体器件的发展再推进一步。由于该方法实现的是p型掺杂，仍没有解决n型掺杂问题，下一步将继续攻克n型掺杂这一难题，以实现晶体管等器件。

贵，阻碍了金刚石在各个领域的广泛应用。人造金刚石与天然金刚石结构相同、性能相近、成本相对较低，可应用于工业生产。因此，研究人工制备金刚石的方法来满足大量的工业需求成为热点。

金刚石应用于半导体产业，需要较大尺寸的金刚石单晶材料。自从1955年美国首次合成人造金刚石以来，金刚石晶体的制备方法也在不断发展，以各种CVD（化学气相沉积）技术为主。进入21世纪，重复生长法、三维生长法及马赛克法的出现，促进了大尺寸金刚石制备的发展，也再次掀起研究制备金刚石的热潮。

金刚石材料制备技术的提升是金刚石电子器件性能提升的推动力。国际上，英国ElementSix公司、日本产业技术综合研究所（AIST）、日本物质材料研究所（NIMS）、美国地球物理实验室卡耐基研究院、美国阿贡国家实验室等一直致力于金刚石材料技术的提升。

英国ElementSix公司是高质量（电子级）CVD金刚石单晶合成的佼佼者，2004年就生长出5mm×5mm的大尺寸电子级1702美、日、欧金刚石半导体器件研究进展

金刚石既能作为有源器件材料制作场效应管、功率开关

等器件，也能作为无源器件材料制成肖特基二极管。而且，由于金刚石具有很高的热导率和极高的电荷迁移率，其制成的半导体器件能够应用于高频、高功率、高电压等恶劣环境中，具有巨大的应用前景。近些年，美、日、欧在金刚石功率电子器件制作方面也取得了一些研究进展，在关键性能指标上实现了一些提升。2.1美国

美国初创公司AKHAN半导体专门研究实验室生长的电子级金刚石制备和应用，据报道，AKHAN已获美国能源部阿贡国家实验室的金刚石半导体工艺授权，再结合自身在金刚石领域的技术突破，有望成为全球首个真正实现金刚石半导体器件产品化的公司[7]。AKHAN拥有专业“Miraj金刚石平台”，通过在p型器件中掺杂磷、在n型器件中掺杂钡与锂，2016年制成p型和n型性能相当的可调电子器件，成功实现了p型和n型器件，并因此发展出金刚石CMOS（互补金属氧化物半导体）。AKHAN首款金刚石CMOS工艺制造出的器件是金刚石PIN二极管，厚度只有500nm，比硅薄100倍，而性能比硅高100万倍。且该PIN二极管中没有热点，没有寄生损失，在热性能上也远好于硅PIN二极管。AKHAN半导体公司拥有金刚石技术的多项专利，覆盖几乎所有半导体元件的基本材料，知识产权可以从二极管、晶体管和功率逆变器到功能齐全的金刚石芯片（如集成电路）。AKHAN半导体公司还制作出了工作频率100GHz的金刚石电子器件，特征尺寸是100nm[8]

。

2.2日本

日本自2002年以来积极资助了数百万美元进入金刚石半

导体器件研究领域，取得了一些国际领先的进展。

2005年，日本NTT公司研制的金刚石场效应晶体管（FET）器件在1GHz下，线性增益为10.94dB，功率附加效率为31.8%，输出功率密度达到2.1W/mm，该功率密度值是目前可见报道的最高值。NTT已经通过二氧化氮表面分子修饰技术将金刚石器件饱和电流密度提升到1A/mm以上，接近了氮化镓HEMT器件的水平。据最新报道，NTT已实现1GHz下1mm大栅宽器件的研制，器件输出功率达到1.26W，增益达到17dB，功率附加效率达到56%。NTT公司下一步的目标是开发功率密度大于30W/mm、工作频率达到200GHz的金刚石MESFET金属半导体场效应晶体管），能够在高温和恶劣环境工作，真正实现由固态电子器件取代大功率电子真空管。

2006年，日本的K.Ueda等采用大晶粒多晶金刚石薄膜材料制作的金刚石FET，采用100nm栅长，具有氢端表面钝化和两维空穴气，饱和电流密度达到550mA/mm，电流增益截止频率ft=45GHz，功率增益最大频率fmax=120GHz，其fmax值仍保持目前可见报道的最好水平[2]

。

2014年，日本发表在IEEE上的研究成果称，采用NO2吸附、Al2O3钝化的方法解决器件热稳定问题，采用100nm栅长的氢端金刚石制作的射频功率FET，电流Ids=1.35A/mm，ft=35GHz，fmax=70GHz，栅长和栅宽分别为0.2滋m和390滋m。1GHz下RF输出功率密度为2W/mm，能在200℃实现稳定工作[9]

。2017

年，日本研究人员在（001）金刚石衬底上同质外延500nm金刚

ZongheYanjiu◆综合研究石薄膜，制成2kV击穿电压的常关型C-H金刚石MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），栅阈值电压Vth为2.5～4V[10]。2.3欧洲及联合研究

欧洲近几年也取得了一些金刚石电子器件的研究成果。2015年，英国研究人员采用4.7mm×4.7mm、（001）金刚石单晶，同质外延制作出50nm栅长的氢端金刚石FET，截止频率ft=53GHz，为目前可见报道的最高值。最大振荡频率fmax=27GHz，由于寄生电阻的原因导致了fmax降低[11]。

由法国、英国、日本研究人员组成的国际研究团队2017年在金刚石MOSFET方面取得了新进展，开发出在硼掺杂金刚石MOSFET中引入深层耗尽区的新方法，构建了金刚石MOSFET的全新概念[12]。在构建MOSFET时，研究人员首先在380℃温度下在氧终止金刚石外延层的上方沉积一层氧化铝（Al2O3），然后对金刚石层实施硼掺杂，形成稳定的耗尽区域，由于硼原子较碳原子少一个电子，因此会在金刚石层中产生空穴载流子。块体金刚石外延层在功能上相当于一个厚的空穴载流子沟道，通过在栅极施加电压，可对深层耗尽区域内的空穴载流子产生排斥和耗尽作用，从而控制晶体管的开启和关闭。这一全新晶体管运行模式的提出，使金刚石MOSFET的结构更为简单，降低了制造难度。实验结果表明，新方法可将宽禁带半导体的载流子迁移率提高一个数量级。该研究为更充分地开发金刚石在MOSFET领域的应用潜力铺平了道路。随后，研究人员将对深层耗尽氧终止金刚石MOSFET进行产品试生产。

3结语随着金刚石半导体技术的不断发展，未来必将突破n型掺

杂技术、大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题，实现更高功率性能的金刚石电子器件，从而为消费者创造更快、更轻、更简单的设备。金刚石半导体器件比硅芯片更便宜、更薄，基于金刚石的电子产品很可能成为高能效电子产品的行业标准，其将对一些高新行业产生显著影响，包括更快的超级计算机、先进的雷达和电信系统、超高效混合动力汽车、极端环境中的电子设备以及下一代航空航天电子设备等。

［参考文献］

[1]MATSUMOTOS,SATOY,KAMOM,etal.Vapordepositionof

diamondparticlesfrommethane[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,1982(21):183-185.

[2]UEDAK,KASUM,YAMAUCHIY,etal.DiamondFETusing

high-qualitypolycrystallinediamondwithfTof45GHzandfmaxof120GHz[J].IEEEElectronDeviceLetters,2006,27(7):570-572.

[3]TANIUCHIH,UMEZAWAH,ARIMAT,etal.High-frequency

performanceofdiamondfieldeffecttransistor[J].IEEEElectronDeviceLetters,2001,22(8):390-392.[4]KURIHARAK,SASAKIK,KAWARADAM,etal.High-rate

synthesis

ofdiamond

by

DC

plasma-jet

chemical

vapor-deposition[J].AppliedPhysicsLetters,1988,52(6):437-438.

[5]KASUM,UEDAK,YEH,etal.High

（下转第173页）

171（ZongheYanjiu◆综合研究设置的桩车比整理如表2所示。

表2佛山市桩车比设置

应用领域

车辆类型

充电设施类型快充慢充快充慢充快充慢充快充慢充快充慢充慢充快充慢充

禅城1:5——1:21:3

1:5———1:12

桩车比南海顺德三水

1:2—1:3—1:15

1:3—1:5—1:15

高明

通枢纽、公共停车场、道路停车位等场所，原则上应按照不低于总停车位的20%配建充电设施或预留充电设施安装条件（包括电力管线预埋和电力容量预留）。（3）老旧小区充电设施规划建设根据实际需求逐步推进，鼓励在已建住宅小区、商业服务业建筑、旅游景区、交通枢纽、公共停车场、道路停车位等场所，按照不低于总停车位数量10%的比例逐步改造或加装基础设施。（4）大型公共建筑物配建停车场、社会公共停车场建设充电设施或预留建设安装条件的车位比例不低于10%。（5）具备条件的机关、公共机构及企事业单位，在单位内部停车场，按不低于20%的比例设置新能源汽车专用停车位并配建充电桩。（6）新建高速公路服务区和有条件的加油（气）站，原则上应按不低于停车位总数20%的比例配建充电桩或预留充电设施接口。凡具各安全条件的加油（气）站、高速公路服务区均应实现充换电设施全覆盖。

纯电动

公交

公共交（含城巴）通

出租车专用车

插电式

纯电动纯电动插电式

1.2:11.2:11.2:11.2:11:2

1:2

————

—————1:15

1.2:11.2:11:15

1:15

公务车

非公共交通

纯电动插电式

1.2:11.2:1

1.2:11.2:11.2:11:15

1:15

1:15

私家车

3结语城市公共充电服务网络的建设是一个庞大的系统工程，

纯电动

1.2:11.2:11.2:11.2:1

2.62.6.1

充电桩快慢充选择原则和比例按充电桩用途选择

（1）公共充电站以建设直流快充桩为主；分散式公共充电

充电站的建设位置选择，决定了充电设施能否更加便捷高效地服务于电动汽车。科学合理的城市电动汽车充电设施规划，能为电动汽车规模化使用提供全面高效的充电服务，在为电动汽车充电设施发展建设起到积极作用的同时，也将有利于推动整个电动汽车产业的发展。

［参考文献］

[1]刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社，2015.[2]墨柯.2014年全球电动汽车市场发展分析[J].新材料产业，

2015（7）：32-38.

[2]刘卓然，陈健，林凯.国内外电动汽车发展现状与趋势[J].电

力建设，2015（7）：25-32.收稿日期：2018-05-09

作者简介：黎倩婷（1993—），女，广东佛山人，电气工程及其自动化助理工程师，研究方向：光伏发电系统、充电桩（站）系统、综合能源系统等相关新能源及综合能源领域。

桩的直流快充桩、交流慢充桩按1:4的比例配置。（2）私人充电桩以建设交流慢充桩为主。（3）公交汽车充电设施以大容量直流充电为主。（4）出租车充电站与专用车充电站均以建设直流快充桩为主，慢充为辅。2.6.2

按充电桩所在地选择

（1）在住宅小区建设以慢充为主的自（专）用、公用充电设施。（2）在办公场所、公交及出租专用场站建设快慢结合的自（专）用充电设施。（3）在商业、公共服务设施、公共停车场、高速公路服务区、加油（气）站以及具备停车条件的道路旁建设以快充为主、慢充为辅的公用充电设施。2.7充电设施配置比例要求

（1）新建住宅小区停车位建设或预留安装充电设施接口的比例应达到100%。（2）新建的商业服务业建筑、旅游景区、交

（上接第171页）

RFoutputpowerforH-terminateddiamondFETs[J].Diamond783-786.

[6]MAZQ,SEOJH.Thermaldiffusiondopingofdiamond:

US20170298534A1[P].2017-10-19.

[7]MirajDiamondElectronics[EB/OL].https://www.akhansemi.

com/technology.html.

[8]HigherPerformanceSemiconductorTechnology———Diamond

[EB/OL].（2017-11-27）[2018-04-23]https://www.linkedin.com/pulse/higher-performance-semiconductor-%E7%8F%A0-%E6%9C%B1?articleId=6340781830693851137.

[9]KASUM,TAKAHASHIK,IMAMURAM,etal.BandOffsetsof

NO2-ExposedDetermined[R],2014.

[10]SYAMSULM,KITABAYASHIY,TAKUYAK,etal.HighVoltage

H-Terminated

Diamond/Al2O3

Interface

bySynchrotronRadiationXPS/UPS/XANES&

Related

Materials,2006,5(4/5/6/7/8):

StressDiamond

InducedinTransparentTransistor

Polycrystallineand

Enhanced

Field-Effect

EnduranceUsingThickAl2O3PassivationLayer[J].IEEEElectronDeviceLetters,2017,38(5):607-610.[11]RUSSELLS,SHARABIS,TALLAIREA,etal.RFOperation

of

Hydrogen-Terminated

Diamond

Field

Effect

Transistors:AComparativeStudy[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2015,62(3):751.

[12]PHAMTT,ROUGERN,MASANTEC,etal.Deepdepletion

concept

for

diamond

MOSFET

[J].Applied

Physics

Letters,2017,111(17):173503.

收稿日期：2018-05-02

作者简介：史超（1983—），女，河北保定人，硕士研究生，工程师，研究方向：先进半导体材料与器件。

173