半導(dǎo)體材料是室溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間的一類功能材料。其導(dǎo)電能力會隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。

一、半導(dǎo)體材料的特性

半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯(cuò)密度。

1.禁帶寬度：由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量；禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量。禁帶寬度為零的是金屬，禁帶寬度很大（一般大于4.5 eV）的是絕緣體，禁帶寬度居中的是半導(dǎo)體。

2.電阻率、載流子遷移率：反映材料的導(dǎo)電能力；

3.非平衡載流子壽命：反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性；

4.位錯(cuò)密度：用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度。

半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

隨著硅基電子器件逐漸接近其理論極限值，近年來對寬禁帶、超寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究成為國際競爭的新熱點(diǎn)。氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗慕麕挾榷荚?個(gè)電子伏以上，在室溫下不可能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以在600℃以下長期穩(wěn)定工作。

二、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)理是通過電子和空穴這兩種載流子來實(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，也可以通過離子注入和CVD法向金剛石中摻入硼元素來實(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、場效應(yīng)晶體管和探測器等期間的制備，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)能級很深（距離導(dǎo)帶底1.7-2eV的深能級處），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，能級位于導(dǎo)帶底以下0.58eV，在金剛石膜中可以形成淺能級，是實(shí)現(xiàn)金剛石n型摻雜的理想元素。

三、金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用

研究表明，金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有一系列優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數(shù)等，這使其在高新科技尖端領(lǐng)域中，特別是電子技術(shù)中得到廣泛關(guān)注，被公認(rèn)為是最具前景的新型半導(dǎo)體材料。基于這些優(yōu)勢，使用超寬禁帶半導(dǎo)體材料可以使新一代電子器件變得更小、更快、更可靠且更高效。這有助于減少電子元件的質(zhì)量、體積以及生命周期成本，同時(shí)允許設(shè)備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，也使得電子器件使用更少的能量卻可以實(shí)現(xiàn)更高的性能。

寬禁帶半導(dǎo)體尤其是金剛石在高頻高壓條件下具有廣泛且不可替代的應(yīng)用優(yōu)勢和前景，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，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。 金剛石應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，首要條件是具備一定的規(guī)格尺寸及品質(zhì)要求。天然金剛石在地球上的儲量非常稀少，能夠滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尺寸品質(zhì)需求的天然金剛石比例更小，而且價(jià)格昂貴，因此如何大幅降低大尺寸金剛石單晶材料的成本是解決半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對其大量需求的根本途徑。

金剛石單晶的制備方法主要有高溫高壓（HPHT）法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法。高溫高壓法制備的金剛石單晶一般會含有一定量的雜質(zhì)，影響金剛石的純凈度和品級，且作為半導(dǎo)體材料，摻雜濃度不易控制，對合成技術(shù)要求比較苛刻。CVD法包括HFCVD法、微波等離子體（MPCVD）法、直流噴射法等幾種。其中MPCVD法由于采用無電極放電，可產(chǎn)生純凈的等離子體，避免了其他生長方法中由于電極等造成的污染，成為制備高品級金剛石的首選方法。

四、金剛石作為半導(dǎo)體材料的應(yīng)用還存在以下的問題

盡管金剛石在半導(dǎo)體材料應(yīng)用方面具有諸多優(yōu)勢，但仍存在以下問題亟需解決：

1.缺乏大尺寸金剛石襯底，阻礙了大尺寸金剛石的生長，通過馬賽克法將小尺寸襯底拼接，可以制備出大尺寸單晶，但在拼接處存在缺陷，影響金剛石膜的質(zhì)量，并且采用拼接方法制備的大面積襯底并不能增加后續(xù)的器件工藝中單位面積的器件數(shù)量，阻礙了金剛石的應(yīng)用。在金剛石制備的探索中，可以通過慢速生長并優(yōu)化其他生長條件的方式制備出質(zhì)量較佳的金剛石材料。也可以通過加強(qiáng)對異質(zhì)外延生長的研究，以期實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石的制備。

2.需要更加深入的研究金剛石p型和n型摻雜。通過改變硼源、調(diào)整硼的摻雜濃度以提高摻硼金剛石的載流子遷移率、降低電阻率，使其制備的器件具備更好的性能。金剛石n型摻雜一直是困擾科學(xué)家們的難題，除了采用改變磷源和降低載流子濃度的方法外，還可以嘗試尋找比磷更合適的摻雜元素，以實(shí)現(xiàn)金剛石更好的n型導(dǎo)電性能。

3.實(shí)驗(yàn)得到的金剛石器件的性能還未達(dá)到預(yù)期效果。這主要存在兩個(gè)問題，其一是難以控制外延膜的摻雜，為了控制金剛石功率器件的電場和串聯(lián)電阻，需要精確控制選擇性區(qū)域的摻雜濃度；其二是器件制備工藝存在一定的困難。在器件制備過程中，可以采用邊緣終端鈍化、金屬-絕緣體半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和離子注入等技術(shù)提高器件的性能，并且場板結(jié)構(gòu)技術(shù)可以鈍化金剛石表面，使其表現(xiàn)出更好的性能。材料制備、器件設(shè)計(jì)及制造和應(yīng)用研究方面的緊密結(jié)合，可以將培育金剛石器件的研究推上一個(gè)新的臺階。

相信經(jīng)過科學(xué)家的不斷研究和改進(jìn)，大尺寸高質(zhì)量金剛石的制備技術(shù)取得突破，n型摻雜及器件制備等困難都會迎刃而解，使越來越多的金剛石產(chǎn)品走進(jìn)人們的生活。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導(dǎo)體可以大規(guī)模應(yīng)用，那么目前世界上的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將面臨巨大變革，金剛石寬禁帶半導(dǎo)體將會引領(lǐng)下一次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。相信不久的將來，我們就能看到金剛石半導(dǎo)體材料的應(yīng)用給我們帶來的驚喜。

審核編輯 ：李倩