宽禁带半导体金刚石

宽禁带半导体金刚石

电子科技2004年第7期（总第178期）

宽禁带半导体金刚石

李发宁，张鹤鸣，戴显英，朱国良，吕 懿

（西安电子科技大学微电子所， 陕西 西安 710071）

摘 要 较详细地叙述了当前国内外正处在研究热潮中的金刚石半导体的优越性质、发展状况及其应用和潜在的应用前景。同时分析和比较了金刚石薄膜的各种制备方法，可以看出微波等离子体化学汽相沉积法是较好的制备金刚石薄膜的生长技术，并且分析了该技术的特点和优势。该法在保持适当氩气氛和施加衬底负偏压下还可进一步提高金刚石膜的生长速率和质量。对于金刚石异质（在硅衬底上）成核的基本机理也进行了分析。最后，阐述了研究金刚石半导体薄膜目前需要解决的关键问题及其发展方向。

关键词 宽禁带；金刚石；MPCVD；大功率 中图分类图 TN304.1+8

1 引 言

目前，作为宽禁带半导体材料,金刚石、GaN和SiC都是国内外近年来研究的热点,但是金刚石表现出比GaN和SiC更优越的半导体性能。金刚石禁带宽，热导率高，击穿电场强，很适于制造高温、高压、大功率和强辐射条件下工作的半导体器件和电路。并且它从紫外到远红外很宽的波长范围内具有很高的光谱透射性能，是大功率红外激光器和探测器的理想材料。同时它又具有抗酸、抗碱、抗各种腐蚀性气体侵蚀的性能，是优良的耐蚀材料。它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料,在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中可望具有极佳的应用前景。

知半导体材料中，金刚石具有最高的硬度，最高的热导率，最高的传声速度，小的介电常数，高的介电强度，既是电的绝缘体，又是热的良导体。同时，金刚石空穴迁移率很高,掺杂后即可成为优良的p型半导体又可成为n型半导体（目前n型金刚石半导体低温低压下合成已经取得一定进展，但用来做半导体器件仍存在一些需研究解决的问题），并且，对可见光和红外辐射透明。

表1为金刚石与GaN、GaAs和6H-SiC以及硅的主要性质的比较。值得指出的是，金刚石不仅在上述各独立领域具有优越的性质，更重要的是其各种性质的组合，使得其成为不可替代的特殊物质。这也正是人们热衷于研究金刚石的原因和意义。

3 金刚石的应用

近年来，由于CVD金刚石多晶薄膜的制备取得了令人瞩目的进展，从而使得其优异的物理特性得到了多方面的应用，特别是其电学特性和光学特性的应用尤其受到关注。

(1) 金刚石在微电子技术中的应用

目前，宽禁带半导体材料SiC、GaN已引起了人们的极大兴趣，但金刚石禁带宽度比他们都要宽,表现出了更优异的电学特性，尤其更适合于极恶劣的环境中应用。正是由于金刚石具备一系列优异的电学特性，因此在制作各种电子器件方面前景广阔。

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2 金刚石的性质

金刚石成为人们研究的热点，是与它的性质分不开的。金刚石空间晶格的晶胞为面心立方点阵(FCC)，碳原子以sp杂化轨道与周围4个碳原子以共价键结合，其晶格碳原子半径小、化学键强、排列紧凑，晶格常数为a=3.5667A，空间群为Fd3m，这些为金刚石具有特殊的性质奠定了基础。此外还有6方金刚石，但比较少见，目前主要研究的是立方金刚石。金刚石具有很多特殊性质，在所有已

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收稿日期：2004-05-08