金刚石具有比硅速度快、功耗小、质量轻、厚度薄等诸多优点，在半导体领域具有巨大前景。

早在2000年之前，阿贡国家实验室已经就金刚石化学气相淀积（CVD）展开试验，并成立了先进金刚石技术公司。该公司和创新微技术公司合作制造出金刚石微机电系统，并促进了SP3金刚石技术等金刚石晶圆专业公司生产用于淀积金刚石晶体的CVD设备。

金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性，因此被誉为“终极功率半导体”。基于业界长期的研发活动，如今金刚石半导体已经开始逐步迈向实用化。但要真正普及推广金刚石半导体的应用，依然需要花费很长的时间，不过已经有报道指出，最快在数年内，将会出现金刚石材质的半导体试作样品。业界对金刚石半导体的关注程度越高，越易于汇集优势资源、加速研发速度。

金刚石半导体材料的导电机理

半导体材料的导电机理是通过电子和空穴这两种载流子来实现的，有N型和P型之分。金刚石作为IV族元素，其晶体结构可看做有两个面心立方结构沿体对角线平移1/4晶格常数套构而成。碳原子以sp3杂化轨道与邻近的4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构，可以通过向金刚石中掺杂适当的元素从而改变其电学性能，使其可以作为半导体材料广泛应用于电学器件中。

金刚石的掺杂包括p型掺杂和n型掺杂。含有杂质的天然金刚石呈现p型导电特性，在工业生产中，也可以通过离子注入和CVD法向金刚石中掺入硼元素来实现。然而自然界中不存在n型导电的天然金刚石，而且晶格缺陷会补偿载流子，使掺入的杂质元素得不到有效激活，导致金刚石的n型掺杂一直是困扰科学家们的难题。目前公认有效的p型掺杂为硼，n型掺杂为磷，质量最好的半导体掺杂技术是微波等离子CVD法。

1.p型掺杂

p型掺硼半导体金刚石单晶是制备高温、大功率半导体元器件的首选材料，在电子、核能和航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前在金刚石硼掺杂方面应做进一步的研究，通过选择合适的硼源和调整硼的掺杂浓度等方式提高掺硼金刚石的载流子迁移率，并将其应用于二极管、场效应晶体管和探测器等期间的制备，提高器件的工作性能。

2.n型掺杂

n型导电同质外延金刚石的实现基于pn结的电子应用非常重要，是发展双极型器件的关键。科学家们尝试采用氮、硫、锂和磷等元素对金刚石进行掺杂以实现其n型导电。由于氮在金刚石中的杂质能级很深（距离导带底1.7-2eV的深能级处），使含氮金刚石在室温下是良好的绝缘体，并不能实现金刚石的n型导电。硫原子的半径比碳原子大很多，掺入金刚石后会引起大量的晶格畸变，从而产生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有电活性。

例如，硫掺杂金刚石的电学性能主要受温度影响，在高温条件下呈现n型导电，低温时呈现p型导电。所以，虽然硫掺杂金刚石膜可以实现n型导电，但要真正应用于电子等领域，仍存在很大困难。锂掺杂金刚石后会位于金刚石的晶界、缺陷、间隙位置及替代位置等。

当锂原子以间隙原子存在时，可以形成施主杂质；以替位原子存在时，可以形成深受主杂质；存在于晶界或晶格缺陷中时不具有半导体性质。而磷的共价键半径是碳的1.4倍，能级位于导带底以下0.58eV，在金刚石膜中可以形成浅能级，是实现金刚石n型掺杂的理想元素。

晶圆厂家的进步促进研发

金刚石半导体研发被限制的主要原因之一是金刚石晶圆的直径尺寸过小，无法满足需求。产总研下属企业一一EDP株式会社（日本大阪府丰中市，以下简称为：“EDP”）自2009年创业之初就以扩大晶圆尺寸为使命，长期以来在半导体行业一直默默无闻、研发新技术，以促进企业增长。

企业状况的好转源于宝石(钻石)市场的兴起。作为饰品的钻石，一般以天然钻石受人们欢迎，而人造钻石的价值较低。在2015年一一2019年期间，大型钻石厂家赋予人工钻石以高昂的价值，从而使饰品类人工钻石的市场迅速扩大。而EDP公司的单晶金刚石作为晶种，需求骤增，成为了企业增长的“催化剂”。因此，2022年EDP成功上市，并获得了可以保证半导体晶圆研发的资源基础。

由于全球经济情况直接影响用作饰品的金刚石市场，因此EDP公司近期的业绩一直低迷。但是，中长期来看，考虑到发展中国家的环境保护问题、劳动者权利保护问题等因素，天然钻石转为人工钻石这一趋势是不会变化的，EDP公司作为半导体方向金刚石的支撑性企业，其地位会越来越重要。

此外，Orbray株式会社（总部：日本东京都足立区，2023年1月更名为“Orbray”，中文名：奥比睿有限公司，以下简称为：“Orbray”）也在积极推进金刚石材质的晶圆业务。“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）金刚石晶圆的生产方法，如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。目标是未来生产出4英寸、6英寸的晶圆。此外，除了半导体应用方向外，“Orbray”还在利用其它生长方法研发用于量子计算机的超高纯度晶圆，并以实现商用为目标。

半导体晶圆的研发工作、扩充产能工作目前都处于发展阶段，“与以往相比，现在更容易获得用于研发的晶圆”（金刚石半导体研发技术员）。如今，如果某位研究员对研发型晶圆抱有兴趣，即可轻松获得实物，与以往相比，已有明显的进步。

越来越多的单位在推进金刚石半导体的实用化

如今，已经有越来越多的单位正在将金刚石半导体从研发阶段推向实用化。日本佐贺大学的嘉数诚教授已经对研发金刚石半导体研发了二十多年。大概五年前，嘉数诚教授了解到“Orbray”的金刚石晶圆，并认识到可以用作研发，从此双方开启了共同研发之路。2022年5月，双方利用2英寸晶圆，研发出了输出功率为875MW/cm2（为全球最高）、高压达2568V的半导体。就此次研发成果而言，作为金刚石半导体其性能首屈一指，而且，从半导体的性能来看，仅次于美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，简称为：“MIT”）利用氮化镓（GaN）实现的成果。

嘉数诚教授认为，必须要把对半导体的验证工作从研发阶段推向实用阶段，并提出了五年内研发出金刚石晶体管的目标。此外，嘉数诚教授还在和封装（Packaging）、键合（Bonding）等周边技术相关的企业共同推进研发，同时也在测定晶体管的寿命、以验证其长期信赖性。此外，嘉数诚教授还计划通过试做功率电子线路，以验证其工作情况。

此外，日本产总研也在有效利用其长期积累的“一条龙”式（从结晶生长、晶圆加工，到制成芯片）的技术经验，以推进芯片的实用化。其目标是利用大面积芯片（Chip）实现现有芯片所要求的性能（如电流值、电压值等）。其方针是晶圆、芯片同时“两手抓”。

2022年8月，诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，即日本早稻田大学下属的Power Diamond Systems（简称为：“PDS”）。该公司的目标是把金刚石半导体行业的先驱一一川原田洋教授的研发成果推向实用化。

川原田教授曾利用金刚石半导体的基础技术（氢终端表面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。川原田教授的研发成果成为了PDS公司的核心技术，但PDS公司还计划与外部企业合作共同进一步进行研发，而不是单纯的“闭门造车”。PDS计划诸多企业（如晶圆厂家、功率半导体厂家、电气设备厂家等）、大学、研发机构合作，以实现金刚石半导体的实用化。PDS的目标是构筑一个从材料、芯片，到系统的完整生态系统，以实现该司成为业界“主角”的目标。

虽然PDS公司刚成立半年之余，已经与日本国内诸多大型企业、研发机构构筑了良好的合作关系。并且计划在数年内发布试作品，然后在1年一一2年后研发功率电子线路相关的系统。

能否与大企业合作是实现实用化的关键所在

针对金刚石半导体的实用化和潜力，PDS的首席执行官(CEO)一一藤岛辰也先生表示：“日本有很多企业在功率半导体、高频元件等领域拥有丰富的生产实绩”。接下来的任务是能否与大型企业展开合作。不过令人遗憾的是，从以往的研发过程来看，企业方面似乎不是很积极参与。有研究人员表示：“在学会等研发成果发布会现场，企业的工程师表现出了极大的兴趣，但是这都与业务没有直接联系。”真要实际实现商业化，至少还需要十年左右的时间，且研发成果也无法直接、迅速地带来利润，因此企业才一直犹豫不决。但是，仅靠大学和研发机构是无法实现真正的社会面应用的。

此外，海外企业的研发速度之外着实令笔者惊讶。在笔者的采访中曾发现，针对日本研发人员的研发项目，台湾地区、中国大陆地区企业研发人员提出了合作研发的申请。面对当下严峻的地政学风险，日本的研发人员应该谨慎对待与海外的合作。不过，由于日本企业不愿意关注，借助海外企业的力量推进研发也是不可避免的。

与已经实现实用化的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等半导体相比，金刚石半导体在社会面、国家层面的关心程度都不够高。正是因为日本国内已经有数家单位开始为推进金刚石半导体的实用化而迈出关键的一步，作为政府和企业更应该尽快行动。

文章来源： 晶浪半导体，光学在线，半导体芯闻