中國(guó)粉體網(wǎng)訊  超寬禁帶半導(dǎo)體是禁帶寬度在4.5eV以上的半導(dǎo)體材料，主要包括金剛石、氮化鋁、氧化鎵等，目前正成為研究的熱點(diǎn)。金剛石作為超寬帶隙半導(dǎo)體材料的一員，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，基于這些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。

不同半導(dǎo)體材料的性能

金剛石半導(dǎo)體器件

金剛石所具有的不同特性可以在不同的半導(dǎo)體領(lǐng)域帶來(lái)質(zhì)變。寬禁帶和高導(dǎo)熱率的特性非常適合做功率器件；寬禁帶和高透明特性適合做傳感器和深紫外發(fā)光器件；高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高導(dǎo)熱率特性在器件封裝上也會(huì)帶來(lái)很大的進(jìn)步。

金剛石半導(dǎo)體功率器件

傳統(tǒng)的硅基功率器件已經(jīng)非常成熟且大規(guī)模用于日常生產(chǎn)生活中，例如高壓直流整流，晶閘管，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等等。然而由于硅材料的物理特性限制，現(xiàn)有的硅基功率器件始終具有兩個(gè)缺陷：無(wú)法在高溫下運(yùn)行（大于150℃）和無(wú)法承受高電壓（大于10KV）。而金剛石所表現(xiàn)出來(lái)的特性可以發(fā)現(xiàn)使用金剛石制作功率器件來(lái)替代硅基功率器件會(huì)收到非常好的效果。

金剛石深紫外傳感器和發(fā)光器件

金剛石具有優(yōu)異的透光性和折射率，穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)非常適合制作傳感器。特別是在極端環(huán)境下，例如高溫高壓、高輻射也能正常工作的傳感器。另一方面，金剛石具有的超寬禁帶和高透明度也適合制作發(fā)光器件，尤其是紫外、深紫外光源器件。

金剛石微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

微機(jī)電系統(tǒng)在各種場(chǎng)合的應(yīng)用越來(lái)越多，同樣具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。例如：汽車等交通工具廣泛的加速度計(jì)；工廠、實(shí)驗(yàn)室等需求氣壓溫度等傳感器，特殊氣體的探測(cè)器。隨著微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，對(duì)器件的要求也越來(lái)越高。金剛石各種特性同樣適合制作微機(jī)電系統(tǒng)，尤其適合在高壓、高溫、高加速度和高輻射等環(huán)境下工作的高端器件。

金剛石半導(dǎo)體的工業(yè)化道路

目前，金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用正成為全球主要國(guó)家競(jìng)相布局的戰(zhàn)略高地。

日本

從金剛石的襯底研發(fā)、器件設(shè)計(jì)、設(shè)備制造的全產(chǎn)業(yè)鏈，日本均有布局，現(xiàn)處于全球領(lǐng)先地位。早在2021年，東京的Orbray采用異質(zhì)外延法已開(kāi)發(fā)出2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)，并有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓的商業(yè)化。2023年日本佐賀大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出全球首個(gè)采用金剛石半導(dǎo)體的電源電路，重點(diǎn)用于太空通信領(lǐng)域。

美國(guó)

2023年美國(guó)初創(chuàng)公司Diamond Foundry創(chuàng)造出了世界上首個(gè)單晶金剛石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。2024年另一家初創(chuàng)公司Diamond Quanta宣布其專有的新型金剛石半導(dǎo)體制造和摻雜技術(shù)取得重大突破。

歐洲

法國(guó)公司Diamfab的目標(biāo)是到2026年將金剛石晶圓尺寸拓展至4英寸�！跋噍^于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體，金剛石器件所需晶圓面積更小，成本更低”，Diamfab首席執(zhí)行官表示，“金剛石器件有望在4英寸晶圓上與SiC展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)�！�

中國(guó)

在2024年，西安交通大學(xué)王宏興教授研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的量產(chǎn)，采用的是微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，并通過(guò)對(duì)成膜均勻性、溫場(chǎng)及流場(chǎng)的有效調(diào)控，進(jìn)而提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于國(guó)外最好的水平達(dá)到世界領(lǐng)先水平。該項(xiàng)目榮獲2024年度中國(guó)第三代半導(dǎo)體技術(shù)十大進(jìn)展。據(jù)了解，王宏興團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的單晶金剛石器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)5G通訊、高頻大功率探測(cè)裝置產(chǎn)品中。

2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底照片

金剛石半導(dǎo)體在新材料、新器件、新技術(shù)等方面的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為各行各業(yè)帶來(lái)了更廣泛的應(yīng)用前景。2025年11月5日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南•鄭州舉辦“2025半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們將邀請(qǐng)到西安交通大學(xué)王宏興教授出席本次大會(huì)并作題為《金剛石半導(dǎo)體材料與器件的研究》的報(bào)告。

專家簡(jiǎn)介

王宏興，西安交通大學(xué)電信學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，教授/博士生導(dǎo)師，電子物理與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，美國(guó)電氣學(xué)會(huì)（IEEE）、日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)（JSAP）、日本電氣學(xué)會(huì)（IEEJ）、美國(guó)顯示學(xué)會(huì)（SID）和美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）委員、陜西省真空學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件、設(shè)備的研發(fā)，獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，主持科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，申報(bào)和獲得發(fā)明專利100余項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文120余篇。

參考來(lái)源：

王凡生等：金剛石半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展

杜昊臨等：金剛石半導(dǎo)體器件研究概述

西安交通大學(xué)、菁云資本

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/石語(yǔ)）

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