以 SiC /GaN 為代表的第三代半導(dǎo)體功率電子學(xué)已成為當(dāng)今功率電子學(xué)創(chuàng)新發(fā)展的主流， 超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石功率電子學(xué)將有可能成為下一代固態(tài)功率電子學(xué)的代表，目前金剛石半導(dǎo)體及器件最新進(jìn)展如何？存在哪些技術(shù)痛點(diǎn)？未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)如何？
關(guān)鍵詞：金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ( FET) ; 射頻 ( ＲF)；FET; 金剛石上 GaN HEMT; 功率電子學(xué)
研究背景
在后摩爾時(shí)代， 碳基電子學(xué)的發(fā)展受到人們的廣泛關(guān)注， 在納電子學(xué)領(lǐng)域， 以一維的碳納米管和二維的石墨烯為主的碳基納電子學(xué)研究取得重大進(jìn)展， 而在功率電子學(xué)領(lǐng)域， 以終結(jié)半導(dǎo)體著稱的金剛石功率電子學(xué)的研究也呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)， 展現(xiàn)出其將成為下一代功率電子學(xué)的潛力。
由于金剛石具有優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)，近10年來(lái)行業(yè)研究熱潮與進(jìn)展出現(xiàn)許多新的突破，接下將從金剛石材料、功率二極管、功率 FET 與 IC、RF FET 和金剛石上 GaN HEMT 等幾方面綜述金剛石功率電子學(xué)的發(fā)展路線、最新進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
材料研究進(jìn)展
1、金剛石材料
作為下一代功率電子學(xué)的候選者， 金剛石功率電子學(xué)將可能在高壓大功率、高頻開(kāi)關(guān)、低損耗和高散熱等方面優(yōu)于寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 和 GaN 功率電子學(xué)， 為此， 要求金剛石材料的研究向大尺寸、低缺陷、低電阻率和高導(dǎo)熱的方向發(fā)展。
1. 1 大尺寸金剛石及晶圓
目前金剛石制備方法主要有高溫高壓和各類化學(xué)氣相沉積 ( CVD) 法。制備大尺寸金剛石及晶圓的技術(shù)主要有同質(zhì)外延生長(zhǎng)、馬賽克晶圓制備和異質(zhì)外延生長(zhǎng)等技術(shù)。
合成高質(zhì)量的同質(zhì)外延金剛石層是制備金剛石電子器件的重要技術(shù)之一， 其具有缺陷密度低的特點(diǎn)， 最大尺寸可達(dá) 0. 5 英寸 。在微波等離子化學(xué)氣相沉積 ( MWPCVD) 生長(zhǎng)技術(shù)中突破了加氮高速生長(zhǎng)、脈沖放電高效率生長(zhǎng)和離子注入剝離等關(guān)鍵技術(shù)后， 近 10 年來(lái)又實(shí)現(xiàn)了多方向重復(fù)的三維 MWPCVD 高速外延生長(zhǎng) ( 生長(zhǎng)速率 100 μm·h－1) ， 大尺寸、厚而無(wú)多晶金剛石邊緣的生長(zhǎng)和采用等離子體 CVD 在 ( H、C、 N、O)系統(tǒng)中 200 h 無(wú)邊界連續(xù)生長(zhǎng)等創(chuàng)新技術(shù)。功率電子器件的應(yīng)用要求高質(zhì)量的 CVD 金剛石薄膜， 其可承受很高的電場(chǎng)、具有相對(duì)較高的生長(zhǎng)速率和低缺陷密度。
為了獲得更大尺寸的單晶 CVD 金剛石薄片，研究人員開(kāi)始嘗試采用馬賽克的拼接技術(shù)。近 10年來(lái)采用馬賽克的拼接技術(shù)制備了 2 英寸單晶金剛石晶圓， 創(chuàng)新技術(shù)包括: 離子注入剝離工藝克隆籽晶片拼接; “平鋪克隆”的新馬賽克技術(shù); 2 英寸馬賽克拼接中適當(dāng)?shù)目寺∑蚍篱_(kāi)裂和襯底溫度均勻技術(shù); CVD 方法共生馬賽克 SCD 的工藝等。
采用異質(zhì)外延技術(shù)可以在異質(zhì)晶圓襯底上實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石薄膜的生長(zhǎng)， 如 MgO、SrTiO3、Al2O3和氧化釔穩(wěn)定氧化鋯 ( YSZ) /Si， 其主要不足是缺陷密度高。20 世紀(jì) 90 年代后期， 開(kāi)始采用銥( Ir) 薄膜上金剛石單晶異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù) ， 金剛石單晶的尺寸已達(dá) 4 英寸。近 10 年來(lái)， 在減少材料位錯(cuò)密度和器件應(yīng)用方面的研究也取得了很大的進(jìn)展。研究表明， 在 Ir 薄膜上生長(zhǎng)幾十微米金剛石后， 金剛石鑲嵌塊結(jié)構(gòu)消失， 同時(shí)晶界的多邊化網(wǎng)絡(luò)分解為個(gè)體或凝聚的位錯(cuò)， 形成具有位錯(cuò)密度為 109 cm－2 的有缺陷的單晶。
異質(zhì)外延 CVD 金剛石多晶薄膜作為功率電子器件散熱的高導(dǎo)熱熱沉材料， 其具有比單晶金剛石更低的成本， 具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域， 自 20 世紀(jì)90 年代以來(lái)， 其廣泛用于各類器件中作為散熱材料， 其熱導(dǎo)率超過(guò) 1 000 W·m－1·K－1， 2019 年，W. S. Lee 等人 采用 4 英寸 Si 基 CVD 金剛石多晶薄膜和 GaN HEMT 相結(jié)合的方法， 使器件的 ＲF 功率密度大于 23 W·mm－1， 異質(zhì)外延 CVD 金剛石多晶薄膜的最大直徑可達(dá)到 8 英寸。
1. 2 低缺陷密度的單晶金剛石
金剛石材料中的缺陷密度對(duì)功率器件的反向漏電等性能影響較大， 對(duì)于低缺陷密度的單晶金剛石材料的研究一直是金剛石功率電子學(xué)材料的研究重點(diǎn)。近 10 年來(lái)， 低缺陷金剛石材料研究有了較大的進(jìn)步， 包括: 采用高溫高壓 ( HPHT) 法可生長(zhǎng)直徑為 12 mm 的無(wú)缺陷的優(yōu)質(zhì) IIa 型金剛石晶體；HPHT 單晶金剛石在＜001＞晶向生長(zhǎng)段的位錯(cuò)密度小于 47 cm－2; 采用 CVD 制備的摻雜氮的金剛石單晶薄片的位錯(cuò)密度低至 400 cm－2; 采用 HPHT 法對(duì)襯底 進(jìn) 行 表 面 處 理 可 有 效 降 低 厚 CVD 外 延 層( 100 μm) 的位錯(cuò)密度; 對(duì) SBD 的 p 型金剛石層中的缺陷和器件反向泄漏電流的關(guān)聯(lián)研究。
1. 3 金剛石材料的摻雜
金剛石材料的摻雜是形成功率器件的基礎(chǔ)技術(shù)，p 型金剛石材料在重?fù)诫s的低阻和厚層材料等方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的突破并趨于成熟， 而摻雜難度較大的 n 型金剛石材料在近期已取得突破性進(jìn)展。
對(duì)采用 CVD 方法的金剛石摻硼 ( B) 的研究始于 20 世紀(jì) 90 年代中期。1997 年， M. Werner 等人 研究了在室溫下的單晶、多晶金剛石的電阻率和載流子濃度與 B 摻雜濃度之間的 Irvie 關(guān)系曲線。在金剛石的光學(xué)和電子器件的制備中， 需要與外部源的低阻路徑連接以及低的歐姆接觸電阻， 為此對(duì)重?fù)?B 金剛石的研究應(yīng)運(yùn)而生。重?fù)诫s B 低阻金剛石的技術(shù)也有了一定的進(jìn)步， 如采用溫度梯度方法生長(zhǎng)了邊長(zhǎng)為 8 mm 的 IIb 型摻 B 單晶金剛石; 采用 MWPCVD 法制備了低電阻率的摻 B 金剛石薄膜 ( 電阻率為 1. 2 mΩ·cm) ; 采用熱絲 CVD法制備了低阻 p+ 金剛石 ( 100) 薄膜 ( 電阻率為1 mΩ · cm， B 的摻雜濃度約為1021 cm－3) 。
在對(duì)生長(zhǎng)摻 B 的 IIb 型金剛石研究中， 在不同的生長(zhǎng)段和相同生長(zhǎng)段的不同結(jié)晶參數(shù)時(shí)的金剛石中的 B 摻雜， 有時(shí)是氮雜質(zhì)的非均勻分布， 這一現(xiàn)象 使 得 體 摻 B 金 剛 石 的 電 子 應(yīng) 用 成 為 難 題。2007 年， V. D. Blank 等人 報(bào)道了在高靜態(tài)壓力和溫度與添加 B 的 Fe-Al-C 熔液系統(tǒng)中， 采用溫度梯度方法生長(zhǎng)了邊長(zhǎng)為 8 mm 的 IIb 型摻 B 金剛石單晶。同年， N. Tokuda 等人 報(bào)道了對(duì)在重?fù)?B同質(zhì)外延生長(zhǎng)中的金剛石 ( 001) 薄膜的表面粗化研究。2015 年， S. Ohmagari 等人報(bào)道了采用熱絲 CVD ( HFCVD) 法制備的低阻 p+ 金剛石 ( 100)薄膜， 其 B 的 摻 雜 濃 度 成 功 地 控 制 在 1019 ～1021 cm－3。薄膜平均表面粗糙度小于 0. 1 nm， 其室溫電阻 率 低 于 1 mΩ · cm ( B 的 摻 雜 濃 度 約 為1021 cm－3) 。這些結(jié)果均表明采用 HFCVD 工藝制備器件級(jí) p+金剛石具有一定的潛力
厚的重?fù)?B 金剛石材料是制備垂直結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)， 其在器件導(dǎo)通時(shí)可降低串聯(lián)電阻。近 10年來(lái)， 對(duì)厚的重?fù)?B 金剛石單晶生長(zhǎng)技術(shù)的研究有: 采 用 中 功 率 密 度 的 微 波 等 離 子 輔 助 CVD( MPACVD) 方法得到 250 μm 厚的重?fù)?B 獨(dú)立的金剛石薄片 ( 摻雜濃度大于 1020 cm－3 ) ; 300 μm厚的重?fù)?B 的金剛石薄片可用于贗垂直結(jié)構(gòu) SBD；獨(dú)立的 200 μm 厚的重?fù)?B ( 1×1020 cm－3) 的金剛石薄片可用于垂直結(jié)構(gòu)的金剛石 SBD; 襯底溫度和生長(zhǎng)速率對(duì)單晶摻 B 金剛石的摻雜效率的影響；對(duì)厚的重?fù)?B 同質(zhì)外延金剛石生長(zhǎng)的氧效應(yīng)研究；采 用 高 氧 氣 流 和 高 微 波 功 率 密 度 生 長(zhǎng) 的 厚 為500 μm、面積為 18 mm2 的重?fù)?B ( 摻雜濃度為 5×1019 ～ 3 × 1020 cm－3 ) 的 金 剛 石 單 晶 層， 厚( 190 μm) 的重?fù)?B ( 4×1020 cm－3) 的＜113＞晶向的 CVD 金剛石薄膜的生長(zhǎng)和采用 HFCVD 生長(zhǎng)的獨(dú)立的 p+ ( 100) 金剛石襯底。
由于 B ( 共價(jià)半徑 r1B 為 0. 088 nm) 比 C ( r1C為 0. 077 nm) 具有更大的共價(jià)半徑， 將 B 引入金剛石會(huì)導(dǎo)致晶格參數(shù)的增大。只要在 MPCVD 外延層中 B 的原子數(shù)分?jǐn)?shù)低于 0. 5%或在 HPHT 體晶體中低于 1. 5%， 其就會(huì)遵循線性插值 ( Vegard 定律) ， 若高于上述原子數(shù)分?jǐn)?shù)時(shí)， Vegard 的擴(kuò)張也明顯低于預(yù)測(cè)值。
采用 B 替代 C 的金剛石的 p 型摻雜是較容易的， 目前其技術(shù)已較成熟。相反， 對(duì)于制備金剛石基雙極型器件， n 型金剛石的高電導(dǎo)率難以實(shí)現(xiàn)而且仍然是一個(gè)主要問(wèn)題。近 10 年來(lái)關(guān)于 n 型金剛石的研究有: 采用 MWPECVD 在＜111＞晶向上形成了磷 ( P) 的摻雜濃度超過(guò) 1020 cm－3的重?fù)?n+金剛石薄膜；在 ( 001) 的 n 型金剛石薄膜上實(shí)現(xiàn) n+ 埋層的選擇性的生長(zhǎng); 選擇生長(zhǎng) n+ 金剛石邊柵制備的金剛石結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ( JFET) 的技術(shù)突破；實(shí)現(xiàn)研發(fā)金剛石雙極型器件的摻 P ＜113＞晶向 CVD金剛石的技術(shù)突破。
歐姆接觸金屬化是實(shí)現(xiàn)高性能電子器件的一個(gè)重要技術(shù)。P 的摻雜濃度為 1×1019 cm－3的 n 型金剛石薄膜， 其歐姆接觸電阻約為 105 Ω·cm2。為了適應(yīng)金剛石器件 n 型低歐姆接觸的需要， 必須將 P的摻 雜 濃 度 提 高 到 1020 cm－3 以 上。
2012 年， T. Iwasaki 等人 通過(guò)選擇生長(zhǎng) n+金剛石 邊 柵 制 備 了 金 剛石 JFET。在 ＜ 111 ＞ 晶向HPHT 金剛石襯底上外延生長(zhǎng) 0. 7 μm 厚的 p 型薄層， 通過(guò)光刻和 ICP 刻蝕形成 p 溝道， 在 p 溝道的兩個(gè)側(cè)面的＜111＞晶向選擇性生長(zhǎng)了摻 P 的 ( 8 ×1019 cm－3) n+ 型金剛石的柵以制備金剛石 JFET。該器件可在高溫下工作， 并具有極低的泄漏電流。金剛石的＜113＞晶向在標(biāo)準(zhǔn)的 CVD 生長(zhǎng)條件下是一個(gè)穩(wěn)定的晶體平面， 可獲得最大可用的表面積，對(duì)于功率電子學(xué)是重要的課題之一。繼研究了厚的重?fù)?B 的＜113＞晶向的 CVD 金剛石薄膜的生長(zhǎng)之后， 2019 年， M. A. P. Thaury 等 人報(bào) 道 了 摻P＜113＞CVD 金剛石， 并認(rèn)為是發(fā)展金剛石雙極器件的技術(shù)突破。在＜113＞型的 HPHT 金剛石襯底上采用包含 MOCVD 技術(shù)的 MPCVD 生長(zhǎng)了摻 P 的金剛石薄膜。該＜ 113 ＞同質(zhì)外延層的 P 摻雜濃度為7. 2×1016 ～ 4. 5×1019 cm－3， 厚度為 0. 6 ～ 4 μm。結(jié)果表明， 摻 P＜113＞晶向的外延層具有高質(zhì)量且 P全部進(jìn)入施主的位置， 這為發(fā)展金剛石雙極器件提供了新的金剛石晶向的選擇。
器件研究
2、 功率二極管
金剛石二極管的研究始于 1958 年， M. D. Bell等人報(bào)道了采用自然的 p 型金剛石形成金屬點(diǎn)接觸 的 SBD， 具 有 整 流 效 應(yīng)， 直 到 1971 年，V. S. Vavilov 等人才報(bào)道了采用 B 和 P 的離子注入技術(shù)形成人造金剛石上的 p-n 結(jié)， 但離子注入技術(shù)所導(dǎo)致的損傷使金剛石二極管的反向擊穿電壓低于 500 V。近 10 年來(lái)， CVD 金剛石材料在大尺寸、低缺陷和重?fù)诫s等方面的進(jìn)展直接帶動(dòng)了金剛石二極管向著高擊穿電壓、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速率和高溫工作的方向發(fā)展， SBD 和 p-n 結(jié)二極管兩種類型均在開(kāi)發(fā)， 其中金剛石 SBD 發(fā)展更快， 已處于初步的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)階段。
由于金剛石二極管和晶體管擊穿電壓較低 ( 小于500 V) 的主要原因是難以控制金剛石中的摻雜物質(zhì)。金剛石是地球中原子密度最高的材料， 除少數(shù)小原子 H、P、N 和 Si 元素等， 很難將其他大原子加入其晶體中。但金剛石具有高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低的介電常數(shù)和高的載流子遷移率， 是未來(lái)大功率器件應(yīng)用的理想材料。近 10 年來(lái)金剛石 SBD 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 如用于高溫應(yīng)用模擬; 高溫、高功率和快開(kāi)關(guān); 金剛石 SBD 在功率變換器中的集成; 用于高功率整流天線的 ＲF-DC 變換器。對(duì)在功率電子學(xué)的應(yīng)用中提高金剛石 SBD 的額定電流和用于 LED 的非隔離的巴克功率變換器等方面也進(jìn)行了初步應(yīng)用研究。
2. 2、p-n 結(jié)二極管
金剛石 p-i-n 二極管是先進(jìn)的并適用于大功率應(yīng)用的器件， 除了它的臨界電場(chǎng)為 3 MV·cm－1( SiC 理論極限) 以外， 也可通過(guò)采用重?fù)诫s層使金剛石 p-i-n 二極管的串聯(lián)電阻大幅度降低。近 10年來(lái)， 金剛石 p-i-n 二極管技術(shù)有了很大的進(jìn)步，如突破了具有躍遷傳導(dǎo)機(jī)制的重?fù)诫s的 p+ 和 n+ 層的制備; 低阻躍遷電導(dǎo)的金剛石 p+-i-n+ 結(jié)二極管的載流 子 輸 運(yùn) 機(jī) 制; 肖 特 基 金 剛 石 p-n 二 極 管( SPND) 的材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì); 選擇生長(zhǎng) n+ 層、p-n 結(jié)二極管的界面缺陷對(duì)反向漏電影響的機(jī)理研究; 金剛石 p-i-n 二極管的反向恢復(fù)及少子壽命研究; 金剛石肖特基p-i-n二極管 ( SPIND) 的不均勻肖特基勢(shì)壘高度的機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)。這些先進(jìn)的技術(shù)使 SPND 的最大正向電流密度達(dá)60000 A·cm－2( 6 V 下) ， 微分比導(dǎo)通電阻為 0. 03 mΩ·cm2， 反向擊 穿 電 壓 為 55 V， n 層 的 擊 穿 場(chǎng) 強(qiáng) 約 為3. 4 MV·cm－1， 在±6 V 時(shí)的整流比為 1012， 具有納秒級(jí)的快速開(kāi)關(guān)， SPIND 的正向電流密度大于300 A ·cm－2( 電壓為 4 V) ， 擊穿電壓大于 500 V，SPIND 在 873 K 高溫循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定性。金剛石p-i-n 二極管在真空下可擴(kuò)展到電子發(fā)射源的應(yīng)用。
另外，金剛石的深摻雜能級(jí)引起其另一獨(dú)特的屬性，即在溫度接近 300 K 時(shí)的躍遷傳導(dǎo)機(jī)制。由于金剛石的 B 和 P 摻雜物的能級(jí)非常深， 即使在一個(gè)相對(duì)較高的摻雜濃度下， 其能級(jí)分布為擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)而無(wú)重疊。300 K 時(shí)， 在 p 型和 n 型單晶金剛石中， 當(dāng)摻雜濃度超過(guò) 1019 cm－3時(shí)， 在傳導(dǎo)系統(tǒng)中躍遷傳導(dǎo)為主 導(dǎo)， 導(dǎo) 致 電 阻 率 大 幅 度 下 降。
