近日，由西安交通大学王宏兴教授团队领衔的“德盟特半导体”创业团队在单晶金刚石衬底技术产业化上取得了重大进展和突破。作为秦创原总窗口入驻企业，其在研的技术产品主要面向第四代半导体材料、器件及5G通讯等行业，对于提升我国半导体材料器件行业水平，促进新一代半导体技术代差更迭具有重要意义。

在半导体制备原理中，衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，不同衬底材料可以生产包括单晶金刚石等在内的半导体芯片。而单晶金刚石被称为“终极半导体”，与硅同为单质半导体，性能完全超越现有半导体，可以克服“击穿场强不足”和“自热效应”瓶颈。在超高电压、超大电流、超大功率、高效、耐辐照和超高频工作且无需冷却的电子器件方面，单晶金刚石具有得天独厚的优势。

1、与硅同族的高材生

金刚石是碳元素（C）的单质同素异构体之一，为面心立方结构，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成σ型共价键，C—C键长为0.154nm，键能为711kJ/mol，构成正四面体，是典型的原子晶体，集超硬、耐磨、热传导、抗辐射、抗强酸强碱腐蚀、可变形态（单晶/多晶）等诸多优异性能于一身。

行业中时常提及的石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔，均属碳的同素异形体。碳具有sp3、sp2和sp三种杂化态，通过不同杂化态可形成多种碳的同素异形体，而金刚石则是通过sp3杂化形成。

既然各项参数优异，利用这些参数又能做成什么器件？

金刚石属超宽带隙半导体材料，带隙高达5.5eV，使其更适合应用于高温、高辐射、高电压等极端环境下；热导率可达22W·cm-1·K-1，可应用于高功率器件；空穴迁移率为4500cm2·V-1·s-1，电子迁移率为3800cm2·V-1·s-1，使其可应用于高速开关器件；击穿场强为13MV/cm，可应用于高压器件；巴利加优值高达24664，远远高于其他材料（该数值越大用于开关器件的潜力越大）。另外，由于金刚石激子束缚能达到80meV，使其在室温下可实现高强度的自由激子发射（发光波长约235nm），在制备大功率深紫外发光二极管和极紫外、深紫外、高能粒子探测器研制方面具有很大的潜力。

除上述器件以外，金刚石还能够被应用到核聚变反应堆中的兆瓦回旋振荡管的高倍光学镜片、X射线光学组件、高功率密度散热器、拉曼激光光学镜片、量子计算机上的光电学器件、生物芯片衬底和传感器、两极性的金刚石电子器件等先进领域。

2、半导体材料的划分

当然，天然金刚石杂质多、尺寸小、价格昂贵，很难满足在电子器件领域的产业化需求。而人造金刚石与天然金刚石结构相同、性能相近、成本相对较低，能够有效使金刚石为人所用。

不是每种金刚石都能造芯

金刚石生长主要分为HTHP法（高温高压法）和CVD法（化学气相沉积法），二者生长方法侧重在不同应用，未来相当长时间内，二者会呈现出互补的关系。

对半导体来说，CVD法是金刚石薄膜的主要制备方法，而HPHT金刚石单晶也会在CVD合成法中充当衬底主要来源。

其中，CVD法还细分为HFCVD、DC-PACVD、MPCVD及DC Arc Plasma Jet CVD四种生长方法。由于MPCVD法采用无极放电，等离子体纯净，是目前适合高质量金刚石生长的方法，同样也适用于高质量金刚石外延及掺杂研究。

实际上，培育钻石也会用到HTHP法和CVD法，但做半导体芯片的金刚石与造钻石和造工具可不是一种：一是纯度不同，二是需要进行掺杂。

更纯的金刚石才能做半导体。

3、能力很强但为何鲜见应用

目前来说，金刚石在半导体中既可以充当衬底，也可以充当外延（在切、磨、抛等加工后的单晶衬底上生长一层新单晶的过程），单晶和多晶也均有不同用途。

在CVD生长技术、马赛克拼接技术、同质外延生长技术、异质外延生长技术的推动下，大尺寸单晶金刚石(SCD)的制备逐渐走向成熟。HTHP法制备单晶金刚石直径已达20mm；CVD法同质外延生长的独立单晶薄片最大尺寸可达1英寸；采用马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2英寸；采用金刚石异质外延技术的晶圆也已达到4~8英寸；除此之外，金刚石还会充当导热衬底，如金刚石基GaN晶圆已达8英寸。

不仅如此，在器件应用上，金刚石的应用体系又与硅基半导体相兼容。如此有利的条件和众多突破下，行业似乎仍然没有拿得出手的产品，问题到底出现在哪里？

4、掺杂是拦路虎

目前来说，金刚石半导体的p型掺杂已经比较成熟，但n型掺杂依旧有许多问题远未解决，n型掺杂元素在金刚石中具有高电离能，很难找到合适的施主元素。

n型掺杂中，含氮（N）金刚石电阻率较高；硫（S）在金刚石溶解度很低，薄膜质量不高，有较多非晶相；磷（P）是应用最为广泛也是公认最有潜力的掺杂元素，但金刚石中氢原子会钝化磷原子，抑制磷原子电离，致使电阻率高。

不过，n型掺杂已取得很大进展，还有一些研究发现，硼氮协同掺杂所获得的金刚石大单晶电导率比单一硼掺杂金刚石提高了10~100倍。

反观同属第四代半导体材料的氮化铝（AlN）和氧化镓（Ga2O3），同样拥有掺杂的困境：如氮化铝（AlN）的n型掺杂已实现，p型掺杂却只停留在理论阶段，氧化镓（Ga2O3）暂时无法实现稳定的p型掺杂。

5、造芯的讲究多

集成电路的制造包话许多单项工艺，它们对材料都有一些特殊的要求，与此同时，各项工艺还会存在相容性的问题。不得不说，从金刚石到晶圆再到芯片的路上，充满了困境，逐一解决这些问题会是一个长线的研究过程。

如在金刚石双面点状掺杂形成PN节；再如，利用表面转移掺杂来制造金刚石FET，使得金刚石FET的设计和制造不同于标准器件；另外，金刚石的氧化物为气体，没有适合于器件应用的固态本征氧化物，这为一些器件如MOS的设计和制作带来困难，在光刻掩膜等工艺上也有诸多不便。

虽然几十年间，行业已经攻破诸多问题，但当金刚石真正做到产业内部时，是否能够经受得住最终产品的考验，谁都无法说清楚。

6、尺寸和成本是关键

首先，晶圆尺寸越大，可生产的芯片就越多，金刚石也是同样道理，只有大尺寸晶圆才能引领商业化的未来。但就目前来说，金刚石大尺寸衬底材料缺乏，且普遍采用的异质外延衬底、衬底拼接等方法得到的大尺寸外延材料内部缺陷过多，以CVD掺氮金刚石为例，目前尺寸为6mm x 7mm的金刚石单晶薄片位错密度可低至400cm-2，但4~8英寸的金刚石异质外延晶圆位错密度接近107cm-2。

其次，让金刚石进入产业链就要足够便宜。与硅相比，碳化硅（SiC）的价格是硅的30~40倍，氮化镓（GaN）的价格是硅的650~1300倍，而用于半导体研究的合成金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。如果以这种价格来看，即使它能够有效提高芯片的功效，TCO（总拥有成本）也会被高材料成本所淹没。

既然如此困难，是否意味着只得放弃？并非如此，事实上，金刚石仍然被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，虽然目前存在一些问题，但市场仍然会接纳新事物的到来。

人造金刚石不仅仅是培育钻石，还是一种超宽禁带半导体材料。美国限制半导体材料金刚石出口，国内培育钻石头部企业有望迎来发展新机遇。

相较于其他半导体材料，金刚石半导体材料的优势主要体现在更高的载流子迁移率、更高的击穿电场、更大的热导率，可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制作功率半导体器件的理想材料，未来应用场景广阔。

文章来源： 果壳，西部网，七两论股