金剛石具有比硅速度快、功耗小、質(zhì)量輕、厚度薄等諸多優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有巨大前景。

早在2000年之前，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)就金剛石化學(xué)氣相淀積（CVD）展開(kāi)試驗(yàn)，并成立了先進(jìn)金剛石技術(shù)公司。該公司和創(chuàng)新微技術(shù)公司合作制造出金剛石微機(jī)電系統(tǒng)，并促進(jìn)了SP3金剛石技術(shù)等金剛石晶圓專(zhuān)業(yè)公司生產(chǎn)用于淀積金剛石晶體的CVD設(shè)備。

金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，因此被譽(yù)為“終極功率半導(dǎo)體”?；跇I(yè)界長(zhǎng)期的研發(fā)活動(dòng)，如今金剛石半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始逐步邁向?qū)嵱没?。但要真正普及推廣金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用，依然需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，不過(guò)已經(jīng)有報(bào)道指出，最快在數(shù)年內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)金剛石材質(zhì)的半導(dǎo)體試作樣品。業(yè)界對(duì)金剛石半導(dǎo)體的關(guān)注程度越高，越易于匯集優(yōu)勢(shì)資源、加速研發(fā)速度。

金剛石半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理

半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理是通過(guò)電子和空穴這兩種載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，有N型和P型之分。金剛石作為IV族元素，其晶體結(jié)構(gòu)可看做有兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)沿體對(duì)角線平移1/4晶格常數(shù)套構(gòu)而成。碳原子以sp3雜化軌道與鄰近的4個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，形成正四面體結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)向金剛石中摻雜適當(dāng)?shù)脑貜亩淖兤潆妼W(xué)性能，使其可以作為半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于電學(xué)器件中。

金剛石的摻雜包括p型摻雜和n型摻雜。含有雜質(zhì)的天然金剛石呈現(xiàn)p型導(dǎo)電特性，在工業(yè)生產(chǎn)中，也可以通過(guò)離子注入和CVD法向金剛石中摻入硼元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而自然界中不存在n型導(dǎo)電的天然金剛石，而且晶格缺陷會(huì)補(bǔ)償載流子，使摻入的雜質(zhì)元素得不到有效激活，導(dǎo)致金剛石的n型摻雜一直是困擾科學(xué)家們的難題。目前公認(rèn)有效的p型摻雜為硼，n型摻雜為磷，質(zhì)量最好的半導(dǎo)體摻雜技術(shù)是微波等離子CVD法。


1.p型摻雜

p型摻硼半導(dǎo)體金剛石單晶是制備高溫、大功率半導(dǎo)體元器件的首選材料，在電子、核能和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在金剛石硼摻雜方面應(yīng)做進(jìn)一步的研究，通過(guò)選擇合適的硼源和調(diào)整硼的摻雜濃度等方式提高摻硼金剛石的載流子遷移率，并將其應(yīng)用于二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管和探測(cè)器等期間的制備，提高器件的工作性能。


2.n型摻雜

n型導(dǎo)電同質(zhì)外延金剛石的實(shí)現(xiàn)基于pn結(jié)的電子應(yīng)用非常重要，是發(fā)展雙極型器件的關(guān)鍵。科學(xué)家們嘗試采用氮、硫、鋰和磷等元素對(duì)金剛石進(jìn)行摻雜以實(shí)現(xiàn)其n型導(dǎo)電。由于氮在金剛石中的雜質(zhì)能級(jí)很深（距離導(dǎo)帶底1.7-2eV的深能級(jí)處），使含氮金剛石在室溫下是良好的絕緣體，并不能實(shí)現(xiàn)金剛石的n型導(dǎo)電。硫原子的半徑比碳原子大很多，摻入金剛石后會(huì)引起大量的晶格畸變，從而產(chǎn)生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有電活性。

例如，硫摻雜金剛石的電學(xué)性能主要受溫度影響，在高溫條件下呈現(xiàn)n型導(dǎo)電，低溫時(shí)呈現(xiàn)p型導(dǎo)電。所以，雖然硫摻雜金剛石膜可以實(shí)現(xiàn)n型導(dǎo)電，但要真正應(yīng)用于電子等領(lǐng)域，仍存在很大困難。鋰摻雜金剛石后會(huì)位于金剛石的晶界、缺陷、間隙位置及替代位置等。

當(dāng)鋰原子以間隙原子存在時(shí)，可以形成施主雜質(zhì)；以替位原子存在時(shí)，可以形成深受主雜質(zhì)；存在于晶界或晶格缺陷中時(shí)不具有半導(dǎo)體性質(zhì)。而磷的共價(jià)鍵半徑是碳的1.4倍，能級(jí)位于導(dǎo)帶底以下0.58eV，在金剛石膜中可以形成淺能級(jí)，是實(shí)現(xiàn)金剛石n型摻雜的理想元素。


晶圓廠家的進(jìn)步促進(jìn)研發(fā)

金剛石半導(dǎo)體研發(fā)被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過(guò)小，無(wú)法滿(mǎn)足需求。產(chǎn)總研下屬企業(yè)一一EDP株式會(huì)社（日本大阪府豐中市，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：“EDP”）自2009年創(chuàng)業(yè)之初就以擴(kuò)大晶圓尺寸為使命，長(zhǎng)期以來(lái)在半導(dǎo)體行業(yè)一直默默無(wú)聞、研發(fā)新技術(shù)，以促進(jìn)企業(yè)增長(zhǎng)。

企業(yè)狀況的好轉(zhuǎn)源于寶石(鉆石)市場(chǎng)的興起。作為飾品的鉆石，一般以天然鉆石受人們歡迎，而人造鉆石的價(jià)值較低。在2015年一一2019年期間，大型鉆石廠家賦予人工鉆石以高昂的價(jià)值，從而使飾品類(lèi)人工鉆石的市場(chǎng)迅速擴(kuò)大。而EDP公司的單晶金剛石作為晶種，需求驟增，成為了企業(yè)增長(zhǎng)的“催化劑”。因此，2022年EDP成功上市，并獲得了可以保證半導(dǎo)體晶圓研發(fā)的資源基礎(chǔ)。

由于全球經(jīng)濟(jì)情況直接影響用作飾品的金剛石市場(chǎng)，因此EDP公司近期的業(yè)績(jī)一直低迷。但是，中長(zhǎng)期來(lái)看，考慮到發(fā)展中國(guó)家的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題、勞動(dòng)者權(quán)利保護(hù)問(wèn)題等因素，天然鉆石轉(zhuǎn)為人工鉆石這一趨勢(shì)是不會(huì)變化的，EDP公司作為半導(dǎo)體方向金剛石的支撐性企業(yè)，其地位會(huì)越來(lái)越重要。

此外，Orbray株式會(huì)社（總部：日本東京都足立區(qū)，2023年1月更名為“Orbray”，中文名：奧比睿有限公司，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：“Orbray”）也在積極推進(jìn)金剛石材質(zhì)的晶圓業(yè)務(wù)。“Orbray”研發(fā)了一種以藍(lán)寶石（Sapphire）為襯底，異質(zhì)外延生長(zhǎng)（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產(chǎn)方法，如今已經(jīng)成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標(biāo)是未來(lái)生產(chǎn)出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導(dǎo)體應(yīng)用方向外，“Orbray”還在利用其它生長(zhǎng)方法研發(fā)用于量子計(jì)算機(jī)的超高純度晶圓，并以實(shí)現(xiàn)商用為目標(biāo)。

半導(dǎo)體晶圓的研發(fā)工作、擴(kuò)充產(chǎn)能工作目前都處于發(fā)展階段，“與以往相比，現(xiàn)在更容易獲得用于研發(fā)的晶圓”（金剛石半導(dǎo)體研發(fā)技術(shù)員）。如今，如果某位研究員對(duì)研發(fā)型晶圓抱有興趣，即可輕松獲得實(shí)物，與以往相比，已有明顯的進(jìn)步。

越來(lái)越多的單位在推進(jìn)金剛石半導(dǎo)體的實(shí)用化

如今，已經(jīng)有越來(lái)越多的單位正在將金剛石半導(dǎo)體從研發(fā)階段推向?qū)嵱没?。日本佐賀大學(xué)的嘉數(shù)誠(chéng)教授已經(jīng)對(duì)研發(fā)金剛石半導(dǎo)體研發(fā)了二十多年。大概五年前，嘉數(shù)誠(chéng)教授了解到“Orbray”的金剛石晶圓，并認(rèn)識(shí)到可以用作研發(fā)，從此雙方開(kāi)啟了共同研發(fā)之路。2022年5月，雙方利用2英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達(dá)2568V的半導(dǎo)體。就此次研發(fā)成果而言，作為金剛石半導(dǎo)體其性能首屈一指，而且，從半導(dǎo)體的性能來(lái)看，僅次于美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)為：“MIT”）利用氮化鎵（GaN）實(shí)現(xiàn)的成果。

嘉數(shù)誠(chéng)教授認(rèn)為，必須要把對(duì)半導(dǎo)體的驗(yàn)證工作從研發(fā)階段推向?qū)嵱秒A段，并提出了五年內(nèi)研發(fā)出金剛石晶體管的目標(biāo)。此外，嘉數(shù)誠(chéng)教授還在和封裝（Packaging）、鍵合（Bonding）等周邊技術(shù)相關(guān)的企業(yè)共同推進(jìn)研發(fā)，同時(shí)也在測(cè)定晶體管的壽命、以驗(yàn)證其長(zhǎng)期信賴(lài)性。此外，嘉數(shù)誠(chéng)教授還計(jì)劃通過(guò)試做功率電子線路，以驗(yàn)證其工作情況。

此外，日本產(chǎn)總研也在有效利用其長(zhǎng)期積累的“一條龍”式（從結(jié)晶生長(zhǎng)、晶圓加工，到制成芯片）的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以推進(jìn)芯片的實(shí)用化。其目標(biāo)是利用大面積芯片（Chip）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時(shí)“兩手抓”。

2022年8月，誕生了一家以“實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體實(shí)用化”為業(yè)務(wù)目標(biāo)的初創(chuàng)型企業(yè)，即日本早稻田大學(xué)下屬的Power Diamond Systems（簡(jiǎn)稱(chēng)為：“PDS”）。該公司的目標(biāo)是把金剛石半導(dǎo)體行業(yè)的先驅(qū)一一川原田洋教授的研發(fā)成果推向?qū)嵱没?/span>

川原田教授曾利用金剛石半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)（氫終端表面），研發(fā)了金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），并為業(yè)界熟知。川原田教授的研發(fā)成果成為了PDS公司的核心技術(shù)，但PDS公司還計(jì)劃與外部企業(yè)合作共同進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)，而不是單純的“閉門(mén)造車(chē)”。PDS計(jì)劃諸多企業(yè)（如晶圓廠家、功率半導(dǎo)體廠家、電氣設(shè)備廠家等）、大學(xué)、研發(fā)機(jī)構(gòu)合作，以實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體的實(shí)用化。PDS的目標(biāo)是構(gòu)筑一個(gè)從材料、芯片，到系統(tǒng)的完整生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)該司成為業(yè)界“主角”的目標(biāo)。

雖然PDS公司剛成立半年之余，已經(jīng)與日本國(guó)內(nèi)諸多大型企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)構(gòu)筑了良好的合作關(guān)系。并且計(jì)劃在數(shù)年內(nèi)發(fā)布試作品，然后在1年一一2年后研發(fā)功率電子線路相關(guān)的系統(tǒng)。


能否與大企業(yè)合作是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的關(guān)鍵所在

針對(duì)金剛石半導(dǎo)體的實(shí)用化和潛力，PDS的首席執(zhí)行官(CEO)一一藤島辰也先生表示：“日本有很多企業(yè)在功率半導(dǎo)體、高頻元件等領(lǐng)域擁有豐富的生產(chǎn)實(shí)績(jī)”。接下來(lái)的任務(wù)是能否與大型企業(yè)展開(kāi)合作。不過(guò)令人遺憾的是，從以往的研發(fā)過(guò)程來(lái)看，企業(yè)方面似乎不是很積極參與。有研究人員表示：“在學(xué)會(huì)等研發(fā)成果發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，企業(yè)的工程師表現(xiàn)出了極大的興趣，但是這都與業(yè)務(wù)沒(méi)有直接聯(lián)系?！闭嬉獙?shí)際實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，至少還需要十年左右的時(shí)間，且研發(fā)成果也無(wú)法直接、迅速地帶來(lái)利潤(rùn)，因此企業(yè)才一直猶豫不決。但是，僅靠大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的社會(huì)面應(yīng)用的。

此外，海外企業(yè)的研發(fā)速度之外著實(shí)令筆者驚訝。在筆者的采訪中曾發(fā)現(xiàn)，針對(duì)日本研發(fā)人員的研發(fā)項(xiàng)目，臺(tái)灣地區(qū)、中國(guó)大陸地區(qū)企業(yè)研發(fā)人員提出了合作研發(fā)的申請(qǐng)。面對(duì)當(dāng)下嚴(yán)峻的地政學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，日本的研發(fā)人員應(yīng)該謹(jǐn)慎對(duì)待與海外的合作。不過(guò)，由于日本企業(yè)不愿意關(guān)注，借助海外企業(yè)的力量推進(jìn)研發(fā)也是不可避免的。

與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等半導(dǎo)體相比，金剛石半導(dǎo)體在社會(huì)面、國(guó)家層面的關(guān)心程度都不夠高。正是因?yàn)槿毡緡?guó)內(nèi)已經(jīng)有數(shù)家單位開(kāi)始為推進(jìn)金剛石半導(dǎo)體的實(shí)用化而邁出關(guān)鍵的一步，作為政府和企業(yè)更應(yīng)該盡快行動(dòng)。