金刚石突破引领高性能电子产品的未来

金刚石以其优异的性能而闻名，长期以来一直有望应用于各种领域，但其作为半导体的潜力却一直面临着商业化的障碍。最近，Advent Diamond公司在解决关键技术难题方面取得了长足进步，特别是制造出了掺磷的单晶金刚石，从而形成了n型层。

这一进展至关重要，因为磷是金刚石中唯一一种相对较浅的n型掺杂剂。在金刚石中成功掺入磷，就可以使电子器件利用到金刚石无与伦比的特性。这包括其卓越的热导率、宽禁带和健壮的机械性能。这一突破克服了以往的限制，开启了金刚石基技术的新纪元，有望在量子传感与计算、大功率电子设备和辐射探测等领域取得进展。

Advent Diamond公司联合创始人兼首席执行官Manpuneet Benipal在接受笔者采访时，谈到了她的公司和金刚石专业知识在推动各技术领域发展方面发挥的关键作用(图1)。“我这些材料科学与工程方面的研究，特别是对半导体和半导体器件中所用材料的研究，为我在金刚石技术领域的工作奠定了基础。”她表示。

图1：Advent Diamond公司CEO Manpuneet Benipal。

Benipal的经验包括在亚利桑那州立大学(ASU)任职期间开发了金刚石PIN发射二极管的初始制造工艺。后来，作为ASM美国公司的高级研究工程师，她在对半导体器件至关重要的材料工艺方面磨练了自己的技能。

“在Advent Diamond公司，我认识到了金刚石作为宽禁带材料所带来的独特挑战和机遇，从头开始了金刚石半导体器件的开发工作。”她说。

她在Advent Diamond公司的工作包括确定和测试金刚石半导体器件的关键环节，包括金刚石器件结构、金属化、钝化以及开发实验室到晶圆厂就绪的制造工艺。

Benipal指出，了解材料缺陷、表面下抛光损伤和整体材料质量之间的相互作用，对于优化金刚石器件性能非常重要。

“我们与ASU密切合作，开创了掺杂和本征金刚石材料层，克服了不利于器件性能的关键材料挑战。”她说。

通过这些努力，Benipal和她在Advent Diamond的团队在提升金刚石基半导体技术能力方面取得了重大进展，为各行各业的变革性应用铺平了道路。

金刚石的特点

与硅和碳化硅等典型半导体材料相比，金刚石具有很大的优势，尤其是在需要高性能和耐用性的应用领域。金刚石非凡的热导率超过了传统的半导体材料，解决了散热管理方面的重大难题，而这正是高功率密度半导体器件面临的主要障碍。此外，金刚石的高载流子迁移率和饱和速度使其在高频操作和电源管理方面的性能优于传统材料(图2、图3)。

金刚石的独特特性正在推动半导体行业的研发工作。随着对性能更佳、尺寸更小的精密半导体器件的需求增加，金刚石似乎有可能成为下一代宽禁带材料。这激起了国防承包商和商业机构的好奇心，他们希望研究金刚石的潜力，并将其用于各种技术，以克服目前的半导体限制。

“金刚石无与伦比的热导率和载流子迁移率为高频半导体器件的突破性进步铺平了道路。”Benipal说。这凸显了基于金刚石的技术可能对电信、电气化和量子应用产生的变革性影响。对金刚石半导体解决方案的追求代表着一种战略转变，即解决传统半导体材料长期面临的挑战，为不同行业的创新和应用开发带来新的机遇。

图2：金刚石的特点。(来源：Advent Diamond)

图3：电源应用。(来源：Advent Diamond)

技术

Advent Diamond的核心创新之一是在首选衬底上生长单晶掺磷金刚石的能力，它是美国唯一一家拥有这种能力的公司。掺磷技术的意义尤其重大，因为它能在金刚石中制造出n型半导体，而这正是电子器件开发的关键元素。此外，Advent Diamond在大面积生长掺硼金刚石层方面也取得了里程碑式的进展，拓展了金刚石基电子产品的潜在应用。

该公司利用受商业秘密保护的尖端生长技术，开发出了杂质浓度极低的本征金刚石层，确保了半导体级金刚石材料的最高质量和性能标准。Advent Diamond的专业知识不仅限于材料生长，还包括全面的器件设计、制造和特性分析能力。这包括蚀刻、光刻和金属化等先进的洁净室工艺，以及显微镜、椭圆偏振和电气测量等一系列特性分析技术。

Advent Diamond正在开发的创新型金刚石辐射探测器为国防、商业和科学市场提供了变革性的解决方案。通过利用掺杂半导体金刚石层和本征半导体金刚石层，这些探测器在探测高能粒子辐射方面具有出色的辐射硬度和噪声抑制能力。这些探测器用途广泛，从紫外线和α粒子到X射线和质子，凸显了Advent Diamond的技术广度。

“Advent Diamond正在引领成熟掺杂(p型和n型)和本征金刚石材料层的开发，以及由这些优质金刚石层制成的器件在电气化、电信和量子技术领域的应用。”Benipal表示，“金刚石表现出卓越的电气和材料特性，超越了GaN和SiC，我们的目标是将这些特性转化为卓越的半导体器件性能。我们的愿景是向商业市场推出拥有无与伦比的规格和性能的金刚石半导体器件，推动电气化、电信和量子应用领域的创新。我们特别重视表面处理，例如反应离子蚀刻和与金刚石兼容的化学机械抛光，以减少缺陷、增强界面、提高均匀性和结晶度，并在各种厚度的掺杂金刚石层和本征金刚石层中保持可控的掺杂浓度。这种方法可确保生产出性能卓越的金刚石半导体器件、辐射传感器和量子材料/器件，从而实现广泛的商业应用。Advent Diamond准备率先将金刚石射频二极管和其他突破性半导体器件推向市场(图4)。”

图4：Advent Diamond射频二极管。(来源：Advent Diamond)

金刚石半导体器件面临的挑战

在航空航天、医疗保健和可再生能源等行业，人们对金刚石半导体器件的兴趣和投资激增。研究人员和私营实体正致力于推动金刚石技术的发展，以应对大功率和高频应用中的具体挑战。

“金刚石有望满足这些需求，并通过增强性能带来创新。”Benipal说道，“在更快的电动汽车充电站、固态变压器、飞机电气化和电信等应用中，对能够在更大功率和更高频率下工作的半导体器件的需求日益增长。”

目前，金刚石半导体开发的重点是研究和可扩展性。公司、组织和政府机构正在共同努力解决金刚石晶圆尺寸、缺陷密度和材料改进等问题，这对实现其前景至关重要。此外，金刚石晶圆的故障密度很大，限制了器件的性能和可靠性。大多数可获得的晶圆的故障水平超过了最佳半导体功能所需的阈值。

据Benipal介绍，目前已有1到2英寸的镶嵌金刚石晶圆，并正在努力将晶圆尺寸扩大到4英寸。然而，缺陷密度仍然是一个关键问题，大多数晶圆的缺陷密度约为10⁸/cm²或更高。有必要提高金刚石晶圆的质量，降低缺陷密度，以充分发挥其潜力。

“必须将缺陷降低到10³/cm²，才能实现预期性能。”Benipal认为。

为了应对这些挑战，DARPA和其他机构正在资助可扩展的金刚石技术项目，强调开发高质量的材料和先进的半导体器件。在全球范围内，研究小组正致力于改进二极管、晶体管和集成电路等金刚石器件结构。这项合作旨在推动金刚石半导体进入主流应用领域，提高关键领域的性能和可靠性。

未来与制造工艺

在新兴制造技术和金刚石合成技术进​​步的推动下，金刚石半导体器件的发展正经历着一场变革。等离子体增强化学气相沉积和精细金刚石生长工艺等技术正在为增强型金刚石电子器件铺平道路。据业内专家称，这些进步对于推动创新和满足各行各业不断变化的需求至关重要。

“金刚石具有其他半导体无法比拟的物理特性，这使它成为了最有希望消除因当前材料物理极限而存在的挑战的材料。”Benipal说道。

推动这一进步的一个主要因素是在金刚石沉积过程中对掺杂的精确控制。在生长过程中进行掺杂可实现均匀和可调节的浓度，这对提高半导体性能至关重要。Benipal认为，离子注入法因金刚石硬度而受到限制，而化学气相沉积法则不同，它是一种可扩展的、理想的生成掺杂和固有金刚石材料的方法。这种可扩展的沉积技术具有商业化的潜力，可促进金刚石晶圆制造和半导体开发。

在实现高性能金刚石半导体器件的过程中，会遇到了一些障碍，例如离子轰击造成的结构损坏会降低材料质量。然而，金刚石抛光方法的不断创新，例如化学抛光和精细的表面平滑技术，减轻了这些挑战。这些进步旨在制备出缺陷最小、材料质量上乘的外延就绪金刚石表面。

“金刚石材料的发展以及通过有意掺杂实现稳定量子态的潜力，将为量子应用带来革命性的变化，”Benipal说道。

展望未来，基于金刚石的电子技术在满足电气化和电信需求方面具有巨大潜力。金刚石独特的物理特性，加上正在进行的开发工作，为克服当前材料的局限性提供了一条途径。此外，在量子计算领域，金刚石通过可控掺杂为量子比特提供稳定量子态的能力有望带来突破性进展。

Advent Diamond正在创新电流密度大于1kA/cm²的射频接收器保护二极管，是雷达系统的理想选择。金刚石的卓越性能使其具有超越传统二极管的大功率和高频率性能。它具有无与伦比的热导率，可作为自冷却散热器，并且在高达400℃的高温下也能发挥出色的性能，从而降低了热失控风险。

“我们的路线图包括所有金刚石大功率二极管和晶体管(电动汽车充电器和固态变压器)、太空级器件和用于稳定量子特性和量子器件的高质量PQuantum Diamond(一种新材料)。”Benipal说。

Benipal认为，金刚石基电子产品的未来取决于改进制造工艺、提高材料质量和利用金刚石的优异特性，在从高频电信到量子应用等各个领域开拓创新解决方案。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Diamond Breakthroughs Shape Future of High-Performance Electronics，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。