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金刚石半导体研究进展/熊礼威等
金刚石半导体研究进展
熊礼威2,汪建华,满卫东,刘长林2,翁俊2
(1中国科学院等离子体物理硏究所,合肥230031;2武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,武汉430073)
摘要金刚石具有一系列优异的物理化学性能,特别是独特的电学和热学性能,使其在半导体领域具有极住
的应用前景。通过详细评述金刚石的各种性能,以及与其他半导体材料的性能比较,提出了金刚石在半导体器件应
用领域的优势。详细介绍了金刚石半导体掺杂以及金刚石半导体器件的种类和应用,并在此基础上展望了金刚石在
半导体领域的应用。
关键词金刚石半导体掺杂
Progress in Diamond Semiconductor
XIONG Liwei,2, WANG Jianhua,2, MAN Weidong, LIU Changlin, WENG Jun
(1 Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefci 230031 2 Key Laboratory of Plasma Chemistry
and Advanced Materials of Hubei Province, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073)
Abstract Diamond is a perfect material with tremendous potential in the semiconductor field due to its extreme
physical and chemical properties, especially its unigue electronic and thermal properties. The advantages of diamond
are shown by reviewing the properties of diamond and comparing it with other semiconductors. The doping of di
mond, the classification of diamond semiconduc or device and their applications are introduced in detail. And finally
the application potentials of diamond semiconductor are prospected based on the discussion.
Key words diamond, semiconductor, doping
金刚石是-种宽禁带半导体材料,既能作为有源器件材(3.2eV)和(GaN(3.4eV)具有很好的优势,因此,金刚石作
料(如场效应管、功率开关等),也能作为无源器件材料(如肖为一…种宽禁带半导体材料,可以用于制备工作温度远高于上
特基二极管)应用于半导体技术领域。此外,由于金刚石具述3种材料的高温器件。当然,金刚石在高温器件方面的
有极高的电荷迁移率(大于30cm2/(V?s)以及现有物优势还取决于其极高的热导率,这一优势不仅在很大程度上
质中最高的热导率,使得金刚石基半导体器件能够在高频、提高了金刚石器件的工作温度,还极大地减小了器件的尺寸
高功率、高电压以及十分恶劣的环境中运行,因此金刚石是和质量。因此,宽的禁带宽度和高的热导率使得金刚石在制
种极具优势的半导体材料
作高温器件方面具有绝对的优势。
1金刚石的性质
1.2介质击穿场强
金刚石具有最髙的介质击穿理论预算值,其范围是5
金刚石具有最高的硬度和高的弹性模量,在机械加工领10MV/cm2,而4H-SiC和GaN的介质击穿场强值分别为
域应用十分广泛,包括金刚石砂轮2、厚膜焊接刀具、薄膜3MV/cm和4.5MV/cm
涂层刀具』、涂层钻头?等。由于金刚石具有极高的热导率1.3載流子迁移率
(大于2000wW/(m?K)),因此可以作为高功率激光的精确光
在所有的宽禁带半导体材料中单晶CVD金刚石在案温
学元件、高能物理研究的探测材料以及电信工业中的热下具有最高的电子和空穴迁移率,测量结果表明"8-),本征
沉材料?。此外,金刚石以其独特的光学性能(包括从紫外单晶CVD金刚石的电子和空穴迁移率分别为4500cmn2/(V?
釗徵波频段的优良透过性能)和髙的热导率以及低的热膨胀s)和3800cm2/(V?s),而4H-SiC相应的数值仅为900cn
系数成为极好的光学窗口材料,在导弹头罩、雷达窗口等方(V?s)和120cm2/(V?s)。
面具有极大的优势?。
4载流子饱和速率
金刚石作为半导体材料的优势主要体现在禁带宽度、介
大量测量结果表明,金刚石中电子和空穴的饱和速
质击穿场强、载流子迁移率、热导率等方面。
率分别为(1.5~2.7)×10cm/s和(0.85~1.2)×10cm/s
1.1禁带宽度和热导率
在其他宽禁带半导体材料中,只有SC能够达到与金刚石相
金刚石的禁带宽度(5.47eV相对于Si(1.1eV)、4H-SiC当的数值,但金刚石有其独特的优势,即其饱和速率是在
湖北省教育斤项目(Q20081505)
熊礼威:男,1983年生,博士生,主要从事金刚石薄膜的制备及其应用研究Emai:zhiyi2000@126.com