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金刚石在微电子技术中的应用
2012-6-19    来源:www.djyanmo.com    作者:大江研磨

      微电子技术与集成技术的飞速发展,带动了硅电力电子器件的长足进步。然而,受硅材料特性的限制,在兼顾高频大功率和提高温度方面不可能有更大的突破。从大功率应用来看,制造电力电子器件的理想材料应同时具备禁带宽、载流子迁移率高、热导率大灯特点。相比之下,在众多半导体材料中,硅单晶并非理想的选择(见表2)。功率进一步发展,不应在于器件工作原理和结构的研究,必须从使用材料方面突破硅的限制开发新的领域.


  宽禁带半导体金刚石的禁带宽、击穿场强高、热导率大、介电常数小、载流子饱和速度高,综合评价不同材料的晶体管的频率和功率特性表明,金刚石不仅优于Si,GaAs等常规半导体,而且比其竞争对手6H-SiC还高出数倍。由于金刚石具有良好的导热性,主要作固体微波器件及固体莱塞器件的散热片。


  在莱塞器件的二极管,CW硅雪崩二极管、碰撞雪崩渡越时间二极管和其它器件上都镶有散热片,散热片吸收这些器件工作时所产生的热。没有这样的吸收,器件的效率将会降低,甚至遭到损坏。以前都采用铜做散热片,效果并不理想,1976年美国贝尔实验室报道,利用金刚石做散热片取得了良好效果。同时,金刚石也为微型雷达和通讯设备创造了有利条件。


  为了使二极管有效的工作,要求功率密度(单位体积的热耗散量)为,或更多,并使T保持在200℃以下。当用铜做散热片时,二极管最大面积不超过,它能逸散掉功率Q是10.但如果用金刚石散热片,对于同样的功率密度,二极管的面积可增大到所能逸散的功率Q达100,这就是说在微波率方面将提高10倍。在雪崩二极管上镶上金刚石后,可得到大约3的连续波功率,这个功率是镶铜的散热片的类同二极管得到的最大值的4倍。


  现有各种类型不同性质的莱塞用于各种目的,半导体莱塞常用砷化镓制造,因为小型轻便具有独特的优点,但如果超过脉动方式的连续工作就存在热的逸散问题。镶在铜上的砷化镓面型莱塞为正常工作需要用液氮冷却到-132℃,而用金刚石散热片能是它在-68℃下正常工作,这就意味着器件可用干冰来冷却,而干冰制冷的设备是很简单的。


  在1994年,报到了金刚石肖特基二极管工作温度可达到1000℃,非常适合高温环境下工作。金刚石双极及场效应晶体管的研究也取得了一些进展,但是金刚石双极晶体管是采用天然金刚石做的,只是为了研究,还没有商品化。因为低温低压下合成的n型参杂金刚石还没有解决(p型金刚石通过参杂早已实现,其功率可达,并且已经成熟的应用做半导体器件),且掺杂后形成的n 型金刚石电导率较低,目前达不到做双极晶体管的要求。2003年7月,在美国自然杂志上报道了通过在掺硼形成的p型金刚石中加入氘元素进行氘化,把p型金刚石转化为n型金刚石,在室温下,得到的电导率为2/cm.该项研究成果有可能用于制作出金刚石pn结,则进一步会制作出金刚石二极管和双极晶体管以及各种电路。他们利用微波等离子体CVD法首先制作出500nm 厚的掺硼金刚石薄膜,然后把样品放在氘等离子体中,温度为550℃,保持8个小时,然后分别在520℃,600℃和650℃进行退火,把p型金刚石转化为n型金刚石。可以说,这是目前得到的最高电导率的n 型金刚石。研究表明,在天然金刚石上做的二极管和双极晶体管以及MIS、MES、MOS 场效应晶体管具有很好的性能。在人工低温低压合成的多晶金刚石制作的MISFET,它的 可以达到2.7GHz, 最高振荡频率 为3.8GHz.高压合成金刚石制作的 MESFET的 可以达到2.2GHz, 最高振荡频率为7GHz.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/(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。