宽禁带半导体金刚石(3)

宽禁带半导体金刚石

宽禁带半导体金刚石

的性能。在人工低温低压合成的多晶金刚石制作的MISFET，它的fT可以达到2.7GHz, 最高振荡频率 fmax为3.8GHz[3]。 高压合成金刚石制作的MESFET的fT可以达到2.2GHz, 最高振荡频率fmax为7GHz[4]。2003年9月，有报道日本电报电话公司(NTT)已经开发出一种工作频率为81GHz的，运行速度高于其他半导体器件2倍的金刚石半导体器件。在材料制造过程中，他们利用一种高纯度的气体消除金刚石晶体中的缺陷和石墨，把材料中的有害杂质减少到原来的0.05，在650℃和750℃下生成金刚石层，其电子迁移率可达1300 cm2/(V.s)。NTT实验室和成功地制造出场效应晶体管(FET)的德国乌尔姆大学合作，利用NTT实验室的金刚石薄膜技术正在研发金刚石半导体器件。 NTT正致力于进一步减少材料中的杂质以增加金刚石晶体的纯度，使器件的工作频率达到200GHz，输出功率为30W/mm的要求。他们期望金刚石器件能够在数字电视广播站的接收机、发射机这类高频高功率应用环境中取代真空管。因此可以预见，只要解决金刚石高质量、大面积、单晶膜的制备技术，金刚石半导体器件和集成电路因其优越的性能将在Si、SiC和GaN半导体器件和集成电路难以适用的环境中得到广泛应用。另外。金刚石有极高的热导率，更适于制作微波功率器件及集成电路。

(2) 金刚石在光电子技术中的应用

金刚石禁带宽，尤其适用于紫外探测器及太阳盲区紫外探测器材料，且抗辐射性能优越。金刚石具有禁带宽度宽（5.3eV）、响应波段短、是同类宽禁带材料（GaN基材料、SiC、BN等）中光响应波段最短的材料，光响应峰值约为200nm , 在400～800nm 的可见光区范围内均为盲区，大大有利于紫外光的探测。

金刚石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，以及极低的线膨胀系数，是大功率红外激光器和探测器的理想材料。如作为在恶劣温度环境下的IR（红外）窗口材料或窗口涂层。常规的IR 材料如Zn、ZnSe或Ge，都易受到损坏，金刚石则克服了它们的不足，是目前最好的红外保护材料。由于其折射率高，可作为太阳能电池的防反射膜；金刚石的高透过率、高热导、优良的力学性能、发光特性和化学惰性，可以作为光学上的最佳应用材料，如各种光学透镜的保护膜；在

军用方面，利用雷达波在穿透金刚石膜不易失真的特性，可用作雷达罩；飞机和导弹在超音速飞行时，头部的锥形雷达无法承受高温，难以耐高速雨点和尘埃的撞击，用金刚石膜来制作雷达罩，不仅散热快，耐磨性好，还可解决雷达罩在高速飞行中同时承受高温骤变问题。美国已制成直径为150mm、厚度为2~3mm的金刚石头罩。同时，金刚石膜可用作拦截器的头罩和红外焦平面阵列成像装置的窗口。民用上可作红外在线监测和控制仪器的光学元件涂层。金刚石还有独特的发光特性，经暴晒的金刚石在暗室中发出淡蓝色的磷光，在浅蓝色紫外线的照射下，可发出较强的亮光。Collins用阴极荧光对金刚石膜发射的蓝色光研究，表明其发射能量为1.68eV，这可能与金刚石膜中的杂质有关；同时还发现对应于1.68eV光发射的光吸收现象。测量结果表明：其光吸收的位置及形状与合成金刚石的C/H比（体积分数比）有关。

另外金刚石薄膜在光波导、高功率激光窗口等有潜在的应用前景。

(3) 金刚石声学特性的应用

金刚石具有极高的弹性模量，这决定了声波在金刚石中具有极高的传播速度，可做成SAW （声表面波）器件[5]。如表面声波滤波器，声频在其中传播速度达到17500m/s。提高器件工作频率的一个有效途径是就是应用具有高声速的介质材料，而金刚是已知物质中具有最高传播声速的材料。所以用金刚石可以大大提高SAW器件的工作频率。这种器件将无线电频率信号转换为机械振动，在卫星通讯和移动电话中有广泛的应用前景。

(4) 其他应用

(a) 场发射平板显示器件。金刚石在真空中处于负偏压时，电子就会从表面发射出来。它克服的束缚能量极小，降低了功耗并提高了效率。与液晶显示器相比，该显示器还具有亮度高、扫描角度大、对温度变化不敏感等特点。

(b) 电化学传感器。金刚石薄膜可用作电化学传感器的电极，能工作在具有腐蚀性的环境中。 CVD金刚石薄膜作为功能工程材料，在多领域有令人瞩目的应用前景。在材料生长及电、光技术方面的应用，还需继续深入的研究。

4 低温低压CVD法制备金刚石薄膜的研究

电子科技/2004年7月15日 45