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金刚石半导体发展日趋产业化?

发布时间:2024-01-27发布人:

当前,金刚石的市场应用大致可分成三个方向,一是可以用作装饰钻石,相关用途人们较为熟悉;二是可以做成金刚石膜,这是一种优质的散热材料;三是经掺杂以后形成半导体材料。这一应用领域尚处于实验阶段,但其发展前景被业界广泛看好。据专家介绍,金刚石被视为“终极半导体”材料,具有超宽禁带、高导热系数、高硬度的特点。但由于硬度最高,实现半导体级别的高纯净度也最为困难,实现产业化还有相当的距离。


中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟相关报告显示,金刚石半导体材料的禁带宽度达5.45 eV,热导率是已知半导体材料中最高的,因而是一种极具优势的半导体材料,可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求,是制作功率半导体器件的理想材料。在智能电网、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。

北京科技大学新材料技术研究院教授李成明表示,相对于硅材料、氮化镓、碳化硅等,金刚石除了禁带宽度以来,最大优势在于更高的载流子迁移率(空穴:3800cm2•V-1•s-1,电子:4500 cm2•V-1•s-1) 、更高的击穿电场(>10 MV•cm-1 )、更大的热导率( 22 W•K-1•cm-1),空穴:3800 cm2•V-1•s-1电子:4500cm 2•V-1•s-1) 、更高的击穿电场(>10 MV•cm-1 )、更大的热导率22 W•K-1•cm-1),其本征材料优势是具有自然界最高的热导率以及最高的体材料迁移率,优异的电学特性承载了人类将金刚石称为终极半导体的巨大期望。

从研发进展情况来看,由于金刚石的性能优势,人们很早就开启了对金刚石的研究。20世纪70年代,美国科学家开发出利用高温高压法(HPHT)生长小块状金刚石单晶,开启了金刚石研究的热潮。近年来随着后摩尔时代的来临,人们在新材料领域的研发投入不断增长,也加速了金刚石等超宽禁带半导体材料的开发。

根据专家介绍,近年来金刚石功率电子在材料和器件方面均有新的技术突破。在材料方面,采用高温高压法制备的单晶金刚石直径已达20mm,且缺陷密度较低。如果是采用化学气相沉积(CVD)法,同质外延生长的独立单晶薄片具有缺陷密度低的特点,最大尺寸可达1英寸;采用“平铺克隆”晶片的马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2 英寸。而采用金刚石异质外延技术的晶圆可达4 英寸。如果是低成本的异质外延CVD 法,金刚石多晶薄膜的发展和应用已很活跃,晶圆已达8 英寸,已可作为导热衬底,用于新一代GaN功率电子器件。

金刚石材料的掺杂技术是形成功率器件的基础,一直也是研究的热点。由于金刚石的密排结构与小间隙。传统的元素掺杂技术通常会引起金刚石严重的晶格畸变,并导致深能级掺杂,室温载流子激活困难。因此过去20多年来,N 型掺杂技术一直被认为是一个难点。近期相关报道显示,N型掺杂金刚石材料取得突破性进展,掺杂浓度达1020 cm-3

金刚石器件方面的研究也有诸多进展。资料显示,金刚石二极管已有初步的实验应用,金刚石MOSFET 和氢终端射频FET 的研究明显加快,4 英寸多晶金刚石上的GaN HEMT 获得突破性进展。从材料生长、器件结构、器件工艺等方面,金刚石的研发都有很大的进展,这为金刚石早日得到真正市场应用开启了新的契机。

尽管未来前景广阔,目前金刚石仍处于基础研究尚待突破阶段,在材料、器件等方面都有大量科学问题尚需攻克。对此,吴全就指出,从实验室研究到生产制造来讲,金刚石与其他半导体的程序性流程并无太大差异。就“一代材料,一代工具,一代设备,一代工艺,一代器件,一代产品、一代系统”的通常延展式研究和开发链条来讲,金刚石的材料属性,尤其是硬度、导热、宽带隙的特征,拔高了各个环节的难度和门槛。如,长晶时间长、晶圆尺寸尚小、切割难度尚大,以及由此引发的成本偏高,诸如系列因素致使金刚石在全球半导体领域的应用仍处于前期预研或产业化的早期阶段。

“我国在金刚石的产业化上拥有很好的基础与优势,拥有全球金刚石行业规则制定及产品定价的话语权,金刚石单晶、微粉和制造的市场占有率超过90%,制作成砂轮、切割线、刀具等多种形态产品,广泛应用于下游石油钻探、石材切割、光伏切割等市场,使用范围广、应用场景多,也出现了如惠丰钻石、黄河旋风、岱勒新材和美畅股份等若干家金刚石相关的上市公司。下一步的发展重点,更多在半导体领域。国内厂家对发挥金刚石电子电力即半导体性能的认识上,与国际基本同步。但受限于国内半导体工具、装备及其工艺水平的爬坡,或者说与国外的差距,我们在这块尚未形成突破或优势,瓶颈仍在半导体范畴。”吴全表示。

相关行业专家也指出,未来金刚石材料和功率器件的发展重点应集中在几个方向:首先是要开发出满足功率半导体器件制造要求的2~4英寸金刚石单晶衬底制备技术。特别是应重点突破2~4英寸金刚石单晶材料技术,材料质量可以满足金刚石功率器件研发的需求。其次是在高质量金刚石N型掺杂技术方面进一步取得突破,提高电子和空穴迁移率,为研制金刚石功率器件奠定基础。第三是掌握金刚石器件研制的核心关键工艺,研制出高性能的金刚石功率器件,提高稳定性。开展金刚石材料和器件关键设备的研发,获得自主知识产权,并实现商业化。


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