异质外延单晶金刚石及其相关电子器件的研究进展

摘要

相较于传统的硅材料,宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件,被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性,更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小,且价格昂贵,极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索,异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地,对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结,说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战,展望了其在未来的应用与发展前景。

总结与展望

金刚石异质外延已发展 30 年有余,而基于 Ir 衬底的大面积、高质量的异质外延单晶金刚石已取得较大进展。本文主要从关于异质外延单晶金刚石及其电子器件两个方面对异质外延单晶金刚石的发展进行了阐述。发展至今,异质外延单晶金刚石衬底最大尺寸已近 4 英寸,其晶体质量在不断攀升新高度,基于异质外延单晶金刚石的电子器件也展现出了非常优异的性能。这些喜人的成果证明了金刚石在电子领域内的巨大潜力,加快了金刚石走向实际应用的步伐,也坚定了金刚石领域研究人员的信心。虽然在异质外延单晶金刚石衬底上取得了诸如以上的喜人成果,但关于单晶金刚石异质外延的如下问题还有待解决:

1)金刚石与 Ir 的晶格失配。即便目前 Ir 是进行单晶金刚石外延的最有效材料,但其与金刚石的晶格失配率高达 - 7. 1% ,这导致金刚石与 Ir 界面会产生较多的位错。虽然经过了不断地探索,但目前异质外延单晶金刚石的位错密度相比同质外延依然很高,如何进一步提升异质外延单晶金刚石晶体质量,是加快其应用的关键一步。

2)异质外延单晶金刚石的掺杂技术。通过掺杂来实现电导调制是半导体走向应用的必经之路。同质外延单晶金刚石的掺杂技术已发展多年,并取得了一定的突破,但基于异质外延金刚石的掺杂的报道却很少。

3)虽然金刚石功率器件展现出了十分优异的性能,但却没有完全发挥出其材料的优越性,所以还需进一步优化器件结构和提高其晶体质量以提升电子器件性能。

作者介绍

王宏兴，西安交通大学教授,博士生导师。2001 年在日本德岛大学获得博士学位。其后作为高级研究员加入日本 Nitride Semiconductor 公司。2004—2008 年作为执行董事加入了日本 Dialight Japan 公司。2008—2013 年作为研发经理加入 Seki technotron 公司。2013年全职回国加入西安交通大学。主要研究领域为:半导体生长用 MOCVD、MPCVD;III-V 氮化物材料及发光器件;大尺寸单晶金刚石及电子器件;金刚石基 GaN 复合器件;量子光源及传感器。多项成果被采纳用于规模化生产。拥有 100 余项专利,发表文章 120 余篇。

原 文