電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)，與此同時(shí)，實(shí)際上金剛石還是一種絕佳的半導(dǎo)體材料。作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，金剛石具備擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、耐高溫、抗輻照等性能，在輻射探測(cè)、光電探測(cè)、功率器件等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)金剛石半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石作為一種硬度極高的材料，最早人工制備的用途主要在刀具、鉆頭、磨具、線鋸、鋸片、拉絲模等工業(yè)加工耗材上。實(shí)際上，自1963年成功研制出第一顆人造金剛石后，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，目前中國(guó)已經(jīng)是世界上人造金剛石產(chǎn)量最高的國(guó)家，占全球總產(chǎn)量90%以上。

不過(guò)中國(guó)金剛石產(chǎn)業(yè)主要集中在中低端應(yīng)用市場(chǎng)，就像前面提到的工業(yè)加工領(lǐng)域。當(dāng)然，在珠寶領(lǐng)域的人造鉆石市場(chǎng)也在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，但在功能性應(yīng)用的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)對(duì)金剛石材料的開(kāi)發(fā)則較為落后。

西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院副院長(zhǎng)王東曾在報(bào)告中提到，國(guó)內(nèi)金剛石發(fā)展大而不強(qiáng)，在高端裝備、電子級(jí)材料等眾多領(lǐng)域處于落后。在CVD金剛石研究領(lǐng)域，從專(zhuān)利分布來(lái)看，美國(guó)、歐洲、日本的研究處于領(lǐng)先地位，我國(guó)發(fā)展相對(duì)緩慢，原創(chuàng)性研究偏少。

在“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，國(guó)內(nèi)拼接外延大尺寸金剛石單晶已經(jīng)達(dá)到國(guó)際并跑的水平；在異質(zhì)外延單晶方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)取得開(kāi)創(chuàng)性進(jìn)展，但尺寸和質(zhì)量仍存在較大差距，計(jì)劃“十四五”實(shí)現(xiàn)追趕或超越。

其中，半導(dǎo)體應(yīng)用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級(jí)、探測(cè)器級(jí)單晶至今仍是英國(guó)元素六公司的壟斷產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導(dǎo)體，市場(chǎng)格局仍遠(yuǎn)未形成壟斷，在半導(dǎo)體領(lǐng)域商業(yè)化仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，因此未來(lái)仍有很大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

金剛石半導(dǎo)體發(fā)展難點(diǎn)

金剛石材料生長(zhǎng)目前主要有兩種方法，HTHP（高溫高壓法）和CVD（化學(xué)氣相沉積）。HTHP法是較為成熟的金剛石制備方法，利用設(shè)備模擬自然高壓高溫環(huán)境，以石墨為原材料，通過(guò)加入催化劑來(lái)合成單晶金剛石。這種方法產(chǎn)量大成本低，主要被用于制造刀具、鉆頭等工業(yè)加工耗材，或是培育鉆石飾品。

而CVD法制備金剛石，是通過(guò)氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，通過(guò)高溫化學(xué)反應(yīng)，形成金剛石并沉積在籽晶表面，沉積溫度一般為700℃至1200℃。CVD法制備的金剛石純度更高，主要用于光、電、聲等功能性材料，少部分用于鉆石飾品。

對(duì)于金剛石半導(dǎo)體，大尺寸拼接單晶、異質(zhì)外延、摻雜、器件可靠性等都是現(xiàn)階段存在的問(wèn)題。作為半導(dǎo)體材料，首先晶圓尺寸決定了產(chǎn)能的大小，像碳化硅晶圓尺寸正在從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸，硅晶圓目前也繼續(xù)大力發(fā)展12英寸的產(chǎn)能。

但金剛石目前從單晶和多晶的晶片上看，尺寸都受到很大限制，原因是金剛石大尺寸的襯底材料缺乏。采用異質(zhì)外延襯底、襯底拼接等方式得到的大尺寸金剛石外延材料缺陷則過(guò)高，難以用于半導(dǎo)體器件制造，1-2英寸的金剛石晶圓顯然是難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的。

金剛石材料本身屬于絕緣體，通過(guò)硼摻雜可以實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電，但硼摻雜金剛石的電離能較高，在室溫下很難完全電離，而重?fù)诫s又會(huì)導(dǎo)致金剛石表面缺陷，半導(dǎo)體性質(zhì)下降，這也是限制了金剛石作為半導(dǎo)體器件材料的重要因素。

小結(jié)

目前，在深紫外探測(cè)器應(yīng)用中，金剛石由于本身材料優(yōu)勢(shì)，在工藝上可以避開(kāi)摻雜問(wèn)題，所以在商業(yè)化上走得比較前。從材料特性來(lái)看，金剛石外延氮化鎵、金剛石MOSFET等領(lǐng)域都有很大的性能優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可期。