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半导体材料界的新星:CVD金刚石
日期:2022-08-24    浏览次数:
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钻石,也就是金刚石,根据晶体形态可分为单晶体、连生体和聚晶体。其中金刚石单晶由于缺陷少、品质高,在某些应用领域具有不可替代的作用。不过天然的金刚石单晶在自然界中因其漫长的形成过程和相对稀缺性,价格非常昂贵。

半导体材料界的新星:CVD金刚石

但随着人工合成方法越来越成熟,人工合成金刚石逐渐出头,凭借其拥有的高强度、高硬度、热膨胀系数小、高导热性、化学稳定性、优越的透光性和电学性质,在世界范围内引起了广泛的研究兴趣。尤其是在半导体领域,更被认为是大有可为。

CVD金刚石的制备

目前人工合成金刚石单晶的方法主要可分为两类:高温高压法(HTHP),化学气相沉积法(CVD)。其中HTHP法可获取的单粒尺寸相对较小,而且高温高压法合成的单晶可能含有触媒等杂质,并且无法有效地进行半导体掺杂

化学气相沉积法(CVD)是一种常见的薄膜材料制备方法,它利用气相前驱体在特定条件下发生化学反应,在特定基底上沉积形成所需薄膜材料。在单晶金刚石材料的制备中,通常采用作为甲烷和氢气作为前驱体,在高温(约1000℃)、常压(1大气压)或低压条件下,以单晶金刚石衬底作为基底,以气相外延的方式生长单晶金刚石所用的单晶金刚石衬底可以是天然金刚石、HPHT金刚石或CVD金刚石。

半导体材料界的新星:CVD金刚石

单晶金刚石生长衬底晶种

半导体材料界的新星:CVD金刚石

CVD金刚石的生长过程(gif)

半导体材料界的新星:CVD金刚石

“种”好的金刚石

据中科院海洋新材料与应用技术重点实验室的科学家介绍,培育金刚石的过程就像种粮食,“首先要有一个籽晶片,还需要用到甲烷气体,甲烷在能量作用下,形成了一个碳的等离子体,这个等离子体就像灰尘一样,在空气中慢慢沉积到金刚石的籽晶片,一点一点沉积上去。”

CVD金刚石在半导体领域的优势

CVD金刚石的外观、成分与天然金刚石几乎一样,物理、化学特性也没有太大不同,在肉眼下,两者看不出任何区别。不过CVD金刚石之所以受重视,最主要的原因就是“纯”,它与天然金刚石相比更加地干净,几乎没有任何杂质。

半导体材料界的新星:CVD金刚石

极高的纯度,使得CVD金刚石在应用上比天然金刚石拥有更多的可能性——比如说凭借优异的电学性质,金刚石材料目前已在半导体领域中独占鳌头。金刚石与c-BN(6.4eV)、Ga2O34.8eV)、AIN(4.eV)等材料禁带宽度在5eV左右,同属于当前热门的的超宽禁带半导体材料。其中金刚石的禁带宽度为5.47eV,是当前单质半导体材料中带隙最宽的材料,其各项电学性质极其优异:

①极高的击穿电场:高达109Vem-1,是础化镓材料的17倍,氮化镓材料的2倍,碳化硅材料的2.5倍。

②饱和载流子速度:在饱和载流子速度方面金刚石是硅、砷化镓的2.7倍,而且载流子速度比础化镓的峰值还要大,即在申场强度增加时也可维持其高的速率。

③载流子迁移率:金刚石的电子迁移率与空穴迁移率都优于其它半导体材料,室温下电子的迁移率为4500cm2/V·S,而硅仅为1500cm2/V·S,砷化镓为8500cm²/V-S,氮化镓低于1000cm2/V·S;金刚石空穴迁移率为3800cm2/V·S,而硅仅为600cm2/VS,砷化镓为400cm2/V·S,氮化镓为<50cm2/V·S,因而,金刚石可以制作高频电子器件。

④低的介电常数:金刚石的介电常数为5.7,约为砷化镓的二分之一,小于InP的一半,即在给定的频率下,金刚石半导体具有优越的容性负载,这为毫米波器件的设计提供了极大的方便。

半导体材料界的新星:CVD金刚石

四种半导体材料的基本性质对比

半导体领域中,目前最主流的硅材料的潜力基本已被挖掘到极致,需要有更好的材料来做接续。凭借上述的各种优势,CVD金刚石确实有机会成为下一个半导体世代的绝佳材料,能让电子产品运转更快,而且更耐热,不容易损坏。科学家认为,未来的量子计算机或可凭借金刚石制成的芯片,大幅提升计算机热导率,让计算机在接近绝对零度下也能保持顺畅运行。

CVD金刚石的发展目标

不过无论是什么产业,要更替原有的生产模式使用新的原材料并不容易,还需要时间去研发。

金刚石要应用于半导体产业,前提就是生产出尺寸较大的单晶材料,因此通过改进制备工艺生产出尺寸更大的CVD金刚石就是该产业目前主要的发展目标。随着制造技术的进步和成本的降低,人工合成金刚石有望引发新一代半导体技术的革命。


资料来源:

MPCVD法生长单晶金刚石研究,段鹏。

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景,吕反修,黑立富,刘杰,宋建华,李成明,唐伟忠,陈广超。

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