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金刚石半导体材料发展现状

金刚石半导体材料发展现状

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  • 发布时间:2019-08-12 16:06
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【概要描述】金刚石应用于半导体产业,需要较大尺寸的单晶材料,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,英国元素六公司、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。 

金刚石半导体材料发展现状

【概要描述】金刚石应用于半导体产业,需要较大尺寸的单晶材料,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,英国元素六公司、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。 

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  金刚石晶体制备

  金刚石应用于半导体产业,需要较大尺寸的单晶材料,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,英国元素六公司、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。

  英国元素六公司是高质量(电子级)CVD金刚石单晶合成的佼佼者,2004年就生长出5 mm×5 mm的大尺寸电子级单晶,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。

  2012年,美国卡耐基研究院宣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 μm/h。而且已实现了方形金刚石在6个面上同时生长,使得大单晶金刚石生长成为可能。

  日本AIST于2010年使用MPCVD制备出尺寸达12 mm的单晶金刚石和25 mm的马赛克晶片。2013年AIST继续扩大晶体尺寸,获得了38.1 mm(1.5英寸)金刚石片,2014年借助于同质外延技术和马赛克生长技术成功获得50.8 mm(2英寸)单晶金刚石,但其杂质和位错密度高。

  2017年,德国奥格斯堡大学通过异质外延技术实现了直径92 mm、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新的技术途径,但由于采用异质外延导致位错密度较高。

 

金刚石半导体材料发展现状

 

  掺杂技术

  实现金刚石半导体器件产品化的最大问题是掺杂困难,尤其是n型掺杂,p型掺杂相对容易,目前,金刚石掺硼的p型材料已基本成熟并实用化。但这种方法需要高温(1450 ℃)加热,会导致多重晶体堆积,所制造的半导体器件性能不如单晶体。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。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转移到金刚石中。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。

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