金剛石材料具備載流子遷移率高、載流子飽和漂移速率大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大等特性，是制造大功率、高溫、高頻器件的理想材料，由于它的帶隙寬、熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、極高的電荷遷移率（CVD金剛石的電子遷移率>3000cm2/V.s），使得金剛石半導(dǎo)體器件能夠在高頻、高功率、高電壓以及強(qiáng)輻射等十分惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，被稱為“終極半導(dǎo)體材料”。

 

此外，從紫外到遠(yuǎn)紅外很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)金剛石具有很高的光譜透射性能，是大功率紅外激光器和探測(cè)器的光學(xué)窗口材料。同時(shí)，它又具有抗酸、抗堿、抗各種腐蝕氣體侵蝕的性能，是優(yōu)良的耐蝕材料。

 

材料特性

一、極高的介質(zhì)擊穿特性：擊穿電壓為107V，是砷化鎵材料的50倍，氮化鎵材料的2倍，碳化硅材料的2.5倍。

二、極高的功率容量：金剛石容許的功率使用容量是硅材料的2500倍以上；特別適合制作大功率電子器件。

三、極高的熱傳導(dǎo)：室溫下金剛石具有最高的熱導(dǎo)率，是銅的5倍。

四、低的介電常數(shù)：金剛石的介電常數(shù)為5.7，約為砷化鎵的二分之一，比InP的一半還小，也就是說(shuō)，在給定的頻率下，金剛石半導(dǎo)體具有可競(jìng)爭(zhēng)性的容性負(fù)載，這為毫米波器件的設(shè)計(jì)提供了極大的方便。

五、高飽和載流子速度：金剛石的飽和載流子速度是砷化鎵、硅、或磷化銦的12.7倍，而且載流子速度比砷化鎵的峰值還要大，即在電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)也可維持其高的速率。

六、高載流子遷移率：無(wú)論是電子遷移率還是空穴遷移率都優(yōu)于其它半導(dǎo)體材料，其室溫電子遷移率為4500cm2/V•S，而硅為1600cm2/V•S，砷化鎵為800cm2/V•S，氮化鎵600cm2/V•S；金剛石的空穴遷移率為3800cm2/V•S，而硅為600cm2/V•S，砷化鎵為300cm2/V•S，氮化鎵為<50cm2/V•S，因而，金剛石可以制作高頻電子器件。

七、極高的品質(zhì)因數(shù)：通常，品質(zhì)因素由飽和載流子速度和介電強(qiáng)度確定。如以硅的品質(zhì)因數(shù)為1作為基準(zhǔn)，那么砷化鎵的品質(zhì)因數(shù)為7，磷化銦為16，碳化硅為1138，金剛石的品質(zhì)因數(shù)為8206。當(dāng)其品質(zhì)因數(shù)判斷用于邏輯電路的潛力時(shí)，介電常數(shù)、飽和載流子速度和熱傳導(dǎo)率是判據(jù)，如以硅的判據(jù)為1的話，則砷化鎵為0.456，碳化硅為5.8，金剛石為32.2，因此，在理論上，金剛石最適合于集成電路使用。

八、優(yōu)良的光學(xué)特性：金剛石不僅具有優(yōu)異的電學(xué)特性，而且還具有優(yōu)良的光學(xué)特性。金剛石除在紫外和紅外的某些波段存在本征吸收外，在整個(gè)光譜波段（紫外、可見(jiàn)光、紅外）均透明，并有不尋常的高折射率，因此，金剛石是最理想的光學(xué)窗口材料。

九、極高的硬度和極高的化學(xué)穩(wěn)定性：金剛石不僅具有結(jié)構(gòu)致密、耐磨、低摩擦和極高的硬度，而且在大多數(shù)環(huán)境下都是絕對(duì)穩(wěn)定，耐化學(xué)腐蝕。

 

 

從上世紀(jì)40年代末，開(kāi)始采用高壓高溫（HPHT）法人工生長(zhǎng)金剛石材料以來(lái)，至今已經(jīng)有七十多年的歷史。高溫高壓法生長(zhǎng)工業(yè)金剛石的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品廣泛用于切割、磨削、鉆探、拋光等場(chǎng)景。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)金剛石產(chǎn)能已占全世界的90%。

 

而金剛石半導(dǎo)體材料的發(fā)展進(jìn)度要滯后不少。2014年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所報(bào)道了40mmx60mm單晶金剛石襯底的制備。2017年，德國(guó)奧格斯堡大學(xué)采用基于MPCVD的異質(zhì)外延方法成功制備出直徑約為90mm、厚度為1.6mm的金剛石單晶襯底。目前來(lái)看，異質(zhì)外延是今后金剛石實(shí)現(xiàn)大尺寸的最有希望的方法。但異質(zhì)外延金剛石材料的位錯(cuò)密度最低在107-108cm-2范圍，還遠(yuǎn)不能滿足器件研制的需求。

目前的金剛石器件的性能遠(yuǎn)沒(méi)有理論預(yù)期的好，也遠(yuǎn)不如較為成熟的GaN基和SiC基器件，這是由于金剛石材料生長(zhǎng)和器件工藝中的許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，常規(guī)的金剛石材料屬于絕緣體，通過(guò)硼摻雜可以實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電，然而由于硼摻雜金剛石電離能較高（0.37 eV），在室溫下很難完全電離，而重?fù)诫s又往往導(dǎo)致金剛石表面損傷，半導(dǎo)體性質(zhì)下降，因此限制了金剛石材料在半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用和發(fā)展，此外，由于金剛石硬度大，切割拋光等工藝環(huán)節(jié)均面臨技術(shù)瓶頸。因此目前金剛石半導(dǎo)體材料仍處于研發(fā)階段，要實(shí)現(xiàn)金剛石器件的優(yōu)異性能及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

 

作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，金剛石集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的第三代半導(dǎo)體材料之一，在高溫大功率電力電子器件、微波功率器件、深紫外光和高能粒子探測(cè)器、深紫外發(fā)光器件、單光子光源、生物和化學(xué)傳感器、微機(jī)電（MEMS）和納機(jī)電（NEMS）器件、自旋電子學(xué)等眾多領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。

 

金剛石半導(dǎo)體材料的禁帶寬度達(dá)5.47 eV，熱導(dǎo)率是已知半導(dǎo)體材料中最高的，因而可以滿足未來(lái)大功率、強(qiáng)電場(chǎng)和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導(dǎo)體器件的理想材料。

 

 

在深紫外光電子領(lǐng)域，由于金剛石的大禁帶寬度、高溫工作、耐輻照特性，在應(yīng)用于極端條件下的深紫外探測(cè)器、高能粒子探測(cè)器等方面有著先天性的優(yōu)勢(shì)。也是基于上述的原因，而且在工藝上可以避開(kāi)尚未解決的金剛石摻雜問(wèn)題，所以金剛石探測(cè)器是目前比較成熟的、已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的唯一半導(dǎo)體金剛石器件有關(guān)的產(chǎn)品種類。

 

金剛石還可以作為GaN功率器件的襯底，以幫助其散熱，實(shí)現(xiàn)更高頻率和更高功率。從2008年開(kāi)始，歐盟投入資金推動(dòng)化學(xué)氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長(zhǎng)金剛石。隨后美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、海軍研究辦公室等投入大量資金，聯(lián)合大學(xué)（英國(guó)布里斯托大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工、斯坦福等）、半導(dǎo)體公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推動(dòng)金剛石基GaN器件的發(fā)展。但由于價(jià)格高昂，使得金剛石襯底的氮化鎵器件的應(yīng)用被限制在國(guó)防和航天等領(lǐng)域。

 

半導(dǎo)體金剛石外延的制造流程與現(xiàn)有第三代半導(dǎo)體差別較大。其主要采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)進(jìn)行高質(zhì)量金剛石厚膜（做襯底）和薄膜（高質(zhì)量外延）生長(zhǎng)。

其中又分為同質(zhì)和異質(zhì)兩種。同質(zhì)生長(zhǎng)通常選用高質(zhì)量HPHT金剛石作為襯底，為擴(kuò)大尺寸可進(jìn)行拼接。異質(zhì)生長(zhǎng)多采用硅、藍(lán)寶石、氧化鎂等襯底通過(guò)單層或多層的緩沖層（或柔性層）來(lái)降低失配應(yīng)力。

 

單晶金剛石的主要制造難點(diǎn)在于生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、溫度控制難、電學(xué)摻雜難、工藝重復(fù)性差。金剛石晶圓的切割、研磨、拋光等加工工藝難度也很大。目前生長(zhǎng)完成之后都是采用激光切割實(shí)現(xiàn)外延層與襯底的分離，并采用機(jī)械研磨的方法對(duì)襯底進(jìn)行表面加工。

 

目前國(guó)內(nèi)尚不能生產(chǎn)適用于高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石生長(zhǎng)的MPCVD設(shè)備，主要進(jìn)口于日本、德國(guó)和法國(guó)，目前國(guó)內(nèi)主要研究院所均采用自研MPCVD設(shè)備。除高質(zhì)金剛石單晶材料的生長(zhǎng)之外，金剛石器件制造過(guò)程中，還有干法刻蝕、n型和p型摻雜、歐姆接觸等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚沒(méi)有得到很好的解決。要實(shí)現(xiàn)金剛石電子器件的優(yōu)異性能及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

 

在國(guó)際上，相關(guān)產(chǎn)品也只有少量半導(dǎo)體金剛石材料和金剛石探測(cè)器產(chǎn)品，尚未形成產(chǎn)業(yè)鏈，代表性企業(yè)有：

 

一、英國(guó)Element Six（E6）公司，人造金剛石和超硬材料制造領(lǐng)域的國(guó)際龍頭企業(yè)，目前全球只有元素六公司出售超高純“電子級(jí)”（現(xiàn)稱“量子/探測(cè)器級(jí)”）單晶金剛石，其價(jià)格高、利潤(rùn)大，且經(jīng)常斷供。

二、奧地利CIVIDEC Instrumentation GmbH公司，其產(chǎn)品采用MPCVD技術(shù)生長(zhǎng)高質(zhì)量金剛石，進(jìn)而制備探測(cè)器。

三、美國(guó)Applied Diamond公司，相關(guān)產(chǎn)品包括金剛石粒子探測(cè)器和金剛石光束位置監(jiān)測(cè)儀。

四、美國(guó)BNL儀器儀表事業(yè)部，十多年來(lái)一直在為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)高性能金剛石輻射探測(cè)器產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)CVD單晶以上海征世、寧波晶鉆、沃爾德等企業(yè)為代表，但只能提供寶石級(jí)單晶及普通級(jí)的單晶襯底，其材料質(zhì)量離滿足半導(dǎo)體應(yīng)用的電子級(jí)金剛石仍有較大差距。

 

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體金剛石材料仍處于研發(fā)階段，尚未有產(chǎn)業(yè)化案例。國(guó)內(nèi)金剛石半導(dǎo)體材料和器件研究，主要集中在高校以及研究所，包括中科院半導(dǎo)體所、西安電子科技大學(xué)、中科院金屬所、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等。

 

中科院半導(dǎo)體所制備的2英寸異質(zhì)外延金剛石晶圓（左）和深紫外探測(cè)器（右）

 

雖然目前國(guó)內(nèi)光學(xué)級(jí)、電子級(jí)多晶金剛石膜與國(guó)際先進(jìn)水平還存在差距，但國(guó)內(nèi)以上團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的光學(xué)級(jí)多晶金剛石膜可滿足紅外／雷達(dá)雙模制導(dǎo)窗口、高功率CO2激光加工機(jī)窗口及高功率微波窗口的基本應(yīng)用需求。

 

金剛石在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。但半導(dǎo)體金剛石的市場(chǎng)還很小，相關(guān)企業(yè)均在國(guó)外，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有半導(dǎo)體金剛石有關(guān)的企業(yè)和產(chǎn)品。
 

據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2020年全球半導(dǎo)體金剛石市場(chǎng)總量為4千萬(wàn)美元，主要產(chǎn)品包括金剛石襯底、深紫外探測(cè)器等光電子器件等（可能包括把作為熱沉的散熱用金剛石）。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025年金剛石襯底的市場(chǎng)總量為2.5千萬(wàn)美元。金剛石市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為10%左右。

不過(guò)，由于高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石制備、摻雜、材料加工、器件工藝等相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有解決，金剛石半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有打開(kāi)。