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用金刚石制造半导体器件难在哪?

来源:未知 发布时间:2024-02-01 21:29

  金刚石作为一种硬度极高的材料,最早人工制备的用途主要在刀具、钻头、磨具、线锯、锯片、拉丝模等加工耗材上。实际上,自1963年成功研制出第一颗人造金刚石后,经过60多年的发展,目前中国已经是世界上人造金刚石产量最高的国家,占全球总产量90%以上。

  不过中国金刚石产业主要集中在中低端应用市场,就像前面提到的工业加工领域。当然,在珠宝领域的人造钻石市场也在国内蓬勃发展,但在功能性应用的领域,国内对金刚石材料的开发则较为落后。

  西安电子科技大学芜湖研究院副院长王东曾在报告中提到,国内金刚石发展大而不强,在高端装备、电子级材料等众多领域处于落后。在CVD金刚石研究领域,从专利分布来看,美国、欧洲、日本的研究处于领先地位,我国发展相对缓慢,原创性研究偏少。

  在“十三五”重点研发计划支持下,国内拼接外延大尺寸金刚石单晶已经达到国际并跑的水平;在异质外延单晶方面,国内已经取得开创性进展,但尺寸和质量仍存在较大差距,计划“十四五”实现追赶或超越。

  其中,半导体应用中高载流子迁移率寿命乘积的电子级、探测器级单晶至今仍是英国元素六公司的垄断产品,国内仍有待攻克。

  但作为一种新兴的材料,相比于硅基半导体,市场格局仍远未形成垄断,在半导体领域商业化仍未实现规模化,因此未来仍有很大的市场机会。

  金刚石材料生长目前主要有两种方法,HTHP(高温高压法)和CVD(化学气相沉积)。HTHP法是较为成熟的金刚石制备方法,利用设备模拟自然高压高温环境,以石墨为原材料,通过加入催化剂来合成单晶金刚石。这种方法产量大成本低,主要被用于制造刀具、钻头等工业加工耗材,或是培育钻石饰品。

  而CVD法制备金刚石,是通过气体导入反应室,通过高温化学反应,形成金刚石并沉积在籽晶表面,沉积温度一般为700℃至1200℃。CVD法制备的金刚石纯度更高,主要用于光、电、声等功能性材料,少部分用于钻石饰品。

  对于金刚石半导体,大尺寸拼接单晶、异质外延、掺杂、器件可靠性等都是现阶段存在的问题。作为半导体材料,首先晶圆尺寸决定了产能的大小,像碳化硅晶圆尺寸正在从6英寸转向8英寸,硅晶圆目前也继续大力发展12英寸的产能。

  但金刚石目前从单晶和多晶的晶片上看,尺寸都受到很大限制,原因是金刚石大尺寸的衬底材料缺乏。采用异质外延衬底、衬底拼接等方式得到的大尺寸金刚石外延材料缺陷则过高,难以用于半导体器件制造,1-2英寸的金刚石晶圆显然是难以实现商业化的。

  金刚石材料本身属于绝缘体,通过硼掺杂可以实现p型导电,但硼掺杂金刚石的电离能较高,在室温下很难完全电离,而重掺杂又会导致金刚石表面缺陷,半导体性质下降,这也是限制了金刚石作为半导体器件材料的重要因素。

  目前,在深紫外探测器应用中,金刚石由于本身材料优势,在工艺上可以避开掺杂问题,所以在商业化上走得比较前。从材料特性来看,金刚石外延氮化镓、金刚石MOSFET等领域都有很大的性能优势,未来可期。

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