以SiC/GaN為代表的寬禁帶半導體已逐漸在5G通信、汽車電子、快速充電等方面得到大量應用。與此同時，研究人員和相關企業(yè)仍在研究開發(fā)其他的寬帶隙材料。金剛石、氮化鋁和氧化鎵等具有更寬的禁帶寬度，被稱為超寬禁帶半導體，未來有可能用來制造具有更低電阻、更高工作功率、更高耐溫能力的功率器件，因此研發(fā)熱度一直不減。近來，關于金剛石研發(fā)進展的消息陸續(xù)傳出，涉及大尺寸金剛石晶圓制備、金剛石材料的N型摻雜以及金剛石器件研究等多個關鍵環(huán)節(jié)，顯示金剛石作為新一代寬禁帶半導體材料的現(xiàn)實應用也將迎來曙光。

       材料性能突出 應用前景廣闊

       業(yè)界一般將禁帶寬度大于2.3電子伏特（eV）的半導體材料稱為寬禁帶半導體材料。碳化硅是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，氮化鎵則緊隨其后。與此同時，業(yè)界也在積極開發(fā)新的寬禁帶半導體材料。金剛石就是俗稱的“金剛鉆”，具有更寬的禁帶寬度，成為國際前沿研究熱點。

       中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關報告顯示，金剛石半導體材料的禁帶寬度達5.45eV，熱導率是已知半導體材料中最高的，因而是一種極具有優(yōu)勢的半導體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領域有著廣闊的應用前景。

       北京科技大學新材料技術研究院教授李成明表示，相對于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以外，最大優(yōu)勢在于更高的載流子遷移率、更高的擊穿電場、更大的熱導率，其本征材料優(yōu)勢是具有自然界最高的熱導率以及最高的體材料遷移率，優(yōu)異的電學特性承載了人類將金剛石稱為終極半導體的巨大期望。

       西安電子科技大學教授張金風也指出，金剛石屬于新興的超寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、耐擊穿、載流子遷移率高、熱導率極高、抗輻照等優(yōu)點，在熱沉、大功率、高頻器件、光學窗口、量子信息等領域具有極大的應用潛力。

       從材料到器件 研發(fā)進展顯著

       正是由于金剛石的性能，人們很早就開啟了對金剛石的開發(fā)研究。20世紀70年代，美國科學家開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，掀起了金剛石研究的熱潮。近年來，隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領域的研發(fā)投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導體材料的開發(fā)。

       根據(jù)李成明的介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和器件方面均有新的技術突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學氣相沉積（CVD）法，同質(zhì)外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2英寸；而采用金剛石異質(zhì)外延技術的晶圓可達4英寸。如果是低成本的異質(zhì)外延CVD法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應用已很活躍，晶圓已達8英寸，已可作為導熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。

       金剛石材料的摻雜技術是形成功率器件的基礎，一直也是研究的熱點。由于金剛石的密排結構與小間隙，傳統(tǒng)的元素摻雜技術通常會引起金剛石嚴重的晶格畸變，并導致深能級摻雜，室溫載流子激活困難。因此過去20多年來，N型摻雜技術一直被認為是一個難點。近期相關報道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進展，摻雜濃度達1020cm^-3。李成明認為，從研發(fā)趨勢上看，未來的金剛石異質(zhì)結很可能打破人們的慣性思維，摻雜可能僅僅是名詞上的沿用，真正的內(nèi)涵將完全顛覆人們現(xiàn)階段的認知。

       金剛石器件方面的研究也有諸多進展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實驗應用，金剛石MOSFET和氫終端射頻FET的研究明顯加快，4英寸多晶金剛石上的GaNHEMT獲得突破性進展。

       近日，日本國立材料科學研究所的研究人員在高溫高壓工藝中合成的IIa型單晶金剛石上制造了一種高遷移率P溝道寬帶隙異質(zhì)結場效應晶體管（FET）。該項研究解決了由低空穴遷移率引起的P溝道WBG FET中的高導通電阻和高導通損耗問題，為制造基于金剛石的P溝道FET鋪平了道路。

       從材料生長、器件結構、器件工藝等方面，金剛石的研發(fā)都有很大的進展，這為金剛石早日得到真正的市場應用開啟了新契機。

       尚處研發(fā)待突破階段 不宜過度炒作

       不過相關行業(yè)專家也指出，盡管取得許多進展，金剛石目前仍處于基礎研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學問題需攻克，不宜過熱跟進炒作。

       李成明表示，金剛石目前實現(xiàn)商業(yè)應用尚有較大距離。金剛石材料的高成本和小尺寸是制約金剛石功率電子學發(fā)展的主要障礙。舉例而言，CVD制備中摻氮的金剛石單晶薄片（6mm×7mm）的位錯密度目前可低至400cm^-2；但金剛石異質(zhì)外延技術的晶圓達4～8英寸時，位錯密度仍高達近107cm^-2量級，高缺陷密度仍是一個挑戰(zhàn)。

       至于我國在金剛石方面的研究，相關專家指出，我國作了大量的探索性研究工作，但是與先進國家相比還有巨大差距，主要表現(xiàn)在：關鍵工藝設備依賴進口，沒有自主知識產(chǎn)權，容易遭到國外封鎖；單晶金剛石襯底無法在國內(nèi)穩(wěn)定獲取；沒有先進的大尺寸單晶金剛石薄膜的生長工藝等。

       因此，未來金剛石材料和功率器件的發(fā)展重點應集中在幾個方向：首先是要開發(fā)出滿足功率半導體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術。特別是應重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術，材料質(zhì)量可以滿足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質(zhì)量金剛石N型摻雜技術方面進一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎。最后是掌握金剛石器件研制的核心關鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件。開展金剛石材料和器件關鍵設備的研發(fā)，獲得自主知識產(chǎn)權，并實現(xiàn)商業(yè)化。