異質(zhì)外延單晶金剛石及其相關(guān)電子器件的研究進(jìn)展

摘要

相較于傳統(tǒng)的硅材料,寬禁帶半導(dǎo)體材料更適合制作高壓、高頻、高功率的半導(dǎo)體器件,被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代材料創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。單晶金剛石擁有大禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高遷移率等優(yōu)異特性,更是下一代大功率、高頻電子器件的理想半導(dǎo)體材料。然而由于可獲得單晶金剛石的尺寸較小,且價(jià)格昂貴,極大地阻礙了金剛石的發(fā)展。歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的探索,異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)成為了獲得高質(zhì)量、大面積單晶金剛石的有效手段。本綜述從金剛石異質(zhì)外延的襯底選擇、生長(zhǎng)機(jī)理以及質(zhì)量改善等方面對(duì)近些年來(lái)異質(zhì)外延單晶金剛石的發(fā)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。進(jìn)一步地,對(duì)基于異質(zhì)外延單晶金剛石的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管的研究進(jìn)行了總結(jié),說(shuō)明了異質(zhì)外延單晶金剛石在電子器件領(lǐng)域的巨大潛力。最后總結(jié)了異質(zhì)外延單晶金剛石仍需面對(duì)的挑戰(zhàn),展望了其在未來(lái)的應(yīng)用與發(fā)展前景。

總結(jié)與展望

金剛石異質(zhì)外延已發(fā)展 30 年有余,而基于 Ir 襯底的大面積、高質(zhì)量的異質(zhì)外延單晶金剛石已取得較大進(jìn)展。本文主要從關(guān)于異質(zhì)外延單晶金剛石及其電子器件兩個(gè)方面對(duì)異質(zhì)外延單晶金剛石的發(fā)展進(jìn)行了闡述。發(fā)展至今,異質(zhì)外延單晶金剛石襯底最大尺寸已近 4 英寸,其晶體質(zhì)量在不斷攀升新高度,基于異質(zhì)外延單晶金剛石的電子器件也展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的性能。這些喜人的成果證明了金剛石在電子領(lǐng)域內(nèi)的巨大潛力,加快了金剛石走向?qū)嶋H應(yīng)用的步伐,也堅(jiān)定了金剛石領(lǐng)域研究人員的信心。雖然在異質(zhì)外延單晶金剛石襯底上取得了諸如以上的喜人成果,但關(guān)于單晶金剛石異質(zhì)外延的如下問(wèn)題還有待解決:

1)金剛石與 Ir 的晶格失配。即便目前 Ir 是進(jìn)行單晶金剛石外延的最有效材料,但其與金剛石的晶格失配率高達(dá) - 7. 1% ,這導(dǎo)致金剛石與 Ir 界面會(huì)產(chǎn)生較多的位錯(cuò)。雖然經(jīng)過(guò)了不斷地探索,但目前異質(zhì)外延單晶金剛石的位錯(cuò)密度相比同質(zhì)外延依然很高,如何進(jìn)一步提升異質(zhì)外延單晶金剛石晶體質(zhì)量,是加快其應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

2)異質(zhì)外延單晶金剛石的摻雜技術(shù)。通過(guò)摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制是半導(dǎo)體走向應(yīng)用的必經(jīng)之路。同質(zhì)外延單晶金剛石的摻雜技術(shù)已發(fā)展多年,并取得了一定的突破,但基于異質(zhì)外延金剛石的摻雜的報(bào)道卻很少。

3)雖然金剛石功率器件展現(xiàn)出了十分優(yōu)異的性能,但卻沒(méi)有完全發(fā)揮出其材料的優(yōu)越性,所以還需進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和提高其晶體質(zhì)量以提升電子器件性能。

作者介紹

王宏興，西安交通大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。2001 年在日本德島大學(xué)獲得博士學(xué)位。其后作為高級(jí)研究員加入日本 Nitride Semiconductor 公司。2004—2008 年作為執(zhí)行董事加入了日本 Dialight Japan 公司。2008—2013 年作為研發(fā)經(jīng)理加入 Seki technotron 公司。2013年全職回國(guó)加入西安交通大學(xué)。主要研究領(lǐng)域?yàn)?半導(dǎo)體生長(zhǎng)用 MOCVD、MPCVD;III-V 氮化物材料及發(fā)光器件;大尺寸單晶金剛石及電子器件;金剛石基 GaN 復(fù)合器件;量子光源及傳感器。多項(xiàng)成果被采納用于規(guī)模化生產(chǎn)。擁有 100 余項(xiàng)專利,發(fā)表文章 120 余篇。

原 文