金剛石能力很強(qiáng)但為何鮮見應(yīng)用？

能力很強(qiáng)但為何鮮見應(yīng)用

目前來說，金剛石在半導(dǎo)體中既可以充當(dāng)襯底，也可以充當(dāng)外延（在切、磨、拋等加工后的單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶的過程），單晶和多晶也均有不同用途。

在CVD生長(zhǎng)技術(shù)、馬賽克拼接技術(shù)、同質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)、異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)的推動(dòng)下，大尺寸單晶金剛石(SCD)的制備逐漸走向成熟 。HTHP法制備單晶金剛石直徑已達(dá)20mm；

CVD法同質(zhì)外延生長(zhǎng)的獨(dú)立單晶薄片最大尺寸可達(dá)1英寸；采用馬賽克拼接技術(shù)生長(zhǎng)的金剛石晶圓可達(dá)2英寸 ；采用金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓也已達(dá)到4~8英寸；除此之外，金剛石還會(huì)充當(dāng)導(dǎo)熱襯底，如金剛石基GaN晶圓已達(dá)8英寸。

不僅如此，在器件應(yīng)用上，金剛石的應(yīng)用體系又與硅基半導(dǎo)體相兼容 。如此有利的條件和眾多突破下，行業(yè)似乎仍然沒有拿得出手的產(chǎn)品，問題到底出現(xiàn)在哪里？

摻雜是攔路虎

目前來說，金剛石半導(dǎo)體的p型摻雜已經(jīng)比較成熟，但n型摻雜依舊有許多問題遠(yuǎn)未解決，n型摻雜元素在金剛石中具有高電離能，很難找到合適的施主元素。

n型摻雜中，含氮（N）金剛石電阻率較高 ；硫（S）在金剛石溶解度很低，薄膜質(zhì)量不高，有較多非晶相；磷（P）是應(yīng)用最為廣泛也是公認(rèn)最有潛力的摻雜元素，但金剛石中氫原子會(huì)鈍化磷原子，抑制磷原子電離，致使電阻率高。

不過，n型摻雜已取得很大進(jìn)展，還有一些研究發(fā)現(xiàn)，硼氮協(xié)同摻雜所獲得的金剛石大單晶電導(dǎo)率比單一硼摻雜金剛石提高了10~100倍。

反觀同屬第四代半導(dǎo)體材料的氮化鋁（AlN）和氧化鎵（Ga2O 3 ），同樣擁有摻雜的困境：如氮化鋁（AlN）的n型摻雜已實(shí)現(xiàn)，p型摻雜卻只停留在理論階段，氧化鎵（Ga2O 3 ）暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的p型摻雜。

造芯的講究多

集成電路的制造包話許多單項(xiàng)工藝，它們對(duì)材料都有一些特殊的要求，與此同時(shí)，各項(xiàng)工藝還會(huì)存在相容性的問題。不得不說，從金剛石到晶圓再到芯片的路上，充滿了困境，逐一解決這些問題會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)線的研究過程。

如在金剛石雙面點(diǎn)狀摻雜形成PN節(jié) ；再如，利用表面轉(zhuǎn)移摻雜來制造金剛石FET，使得金剛石FET的設(shè)計(jì)和制造不同于標(biāo)準(zhǔn)器件 ；另外，金剛石的氧化物為氣體，沒有適合于器件應(yīng)用的固態(tài)本征氧化物，這為一些器件如MOS的設(shè)計(jì)和制作帶來困難，在光刻掩膜等工藝上也有諸多不便。

雖然幾十年間，行業(yè)已經(jīng)攻破諸多問題，但當(dāng)金剛石真正做到產(chǎn)業(yè)內(nèi)部時(shí)，是否能夠經(jīng)受得住最終產(chǎn)品的考驗(yàn)，誰(shuí)都無(wú)法說清楚。

尺寸和成本是關(guān)鍵

首先，晶圓尺寸越大，可生產(chǎn)的芯片就越多，金剛石也是同樣道理，只有大尺寸晶圓才能引領(lǐng)商業(yè)化的未來。但就目前來說，金剛石大尺寸襯底材料缺乏，且普遍采用的異質(zhì)外延襯底、襯底拼接等方法得到的大尺寸外延材料內(nèi)部缺陷過多，以CVD摻氮金剛石為例，目前尺寸為6mm x 7mm的金剛石單晶薄片位錯(cuò)密度可低至400cm ^-2^ ，但4~8英寸的金剛石異質(zhì)外延晶圓位錯(cuò)密度接近10^7^cm ^-2^ 。

其次，讓金剛石進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈就要足夠便宜。與硅相比，碳化硅（SiC）的價(jià)格是硅的3040倍，氮化鎵（GaN）的價(jià)格是硅的6501300倍，而用于半導(dǎo)體研究的合成金剛石材料價(jià)格幾乎是硅的10000倍。如果以這種價(jià)格來看，即使它能夠有效提高芯片的功效，TCO（總擁有成本）也會(huì)被高材料成本所淹沒。

既然如此困難，是否意味著只得放棄？并非如此，事實(shí)上，金剛石仍然被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料 ，雖然目前存在一些問題，但市場(chǎng)仍然會(huì)接納新事物的到來。