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半導體行業對高品質金剛石的期待（二）
發布時間：
2024-10-16
來源：
文/鵬城半導體
二、 金剛石半導體材料的導電機理
半導體材料的導電機理是通過電子和空穴這兩種載流子來實現的，有N型和P型之分。金剛石作為IV族元素，其晶體結構可看做有兩個面心立方結構沿體對角線平移1/4晶格常數套構而成。碳原子以sp3雜化軌道與鄰近的4個碳原子以共價鍵結合，形成正四面體結構，可以通過向金剛石中摻雜適當的元素從而改變其電學性能，使其可以作為半導體材料較廣應用于電學器件中。
金剛石的摻雜包括p型摻雜和n型摻雜。含有雜質的天然金剛石呈現p型導電特性，在工業生產中，也可以通過離子注入和CVD法向金剛石中摻入硼元素來實現。然而自然界中不存在n型導電的天然金剛石，而且晶格缺陷會補償載流子，使摻入的雜質元素得不到有效激活，導致金剛石的n型摻雜一直是困擾科學家們的難題。目前公認有效的p型摻雜為硼，n型摻雜為磷，質量較好的半導體摻雜技術是微波等離子CVD法。
（一）p型摻雜
p型摻硼半導體金剛石單晶是制備高溫、大功率半導體元器件的選擇材料，在電子、核能和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。目前在金剛石硼摻雜方面應做進一步的研究，通過選擇合適的硼源和調整硼的摻雜濃度等方式提升摻硼金剛石的載流子遷移率，并將其應用于二極管、場效應晶體管和探測器等期間的制備，提升器件的工作性能。
（二）n型摻雜
n型導電同質外延金剛石的實現基于pn結的電子應用非常重要，是發展雙極型器件的關鍵。科學家們嘗試采用氮、硫、鋰和磷等元素對金剛石進行摻雜以實現其n型導電。由于氮在金剛石中的雜質能級很深（距離導帶底1.7-2eV的深能級處），使含氮金剛石在室溫下是良好的絕緣體，并不能實現金剛石的n型導電。硫原子的半徑比碳原子大很多，摻入金剛石后會引起大量的晶格畸變，從而產生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有電活性。例如，硫摻雜金剛石的電學性能主要受溫度影響，在高溫條件下呈現n型導電，低溫時呈現p型導電。所以，雖然硫摻雜金剛石膜可以實現n型導電，但要真正應用于電子等領域，仍存在很大困難。鋰摻雜金剛石后會位于金剛石的晶界、缺陷、間隙位置及替代位置等。當鋰原子以間隙原子存在時，可以形成施主雜質；以替位原子存在時，可以形成深受主雜質；存在于晶界或晶格缺陷中時不具有半導體性質。而磷的共價鍵半徑是碳的1.4倍，能級位于導帶底以下0.58eV，在金剛石膜中可以形成淺能級，是實現金剛石n型摻雜的理想元素。
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在全球工業領域，工業金剛石憑借其高硬度、高耐磨性、高導熱性等卓越性能，成為眾多關鍵工業環節不可或缺的基礎材料，廣泛應用于半導體、航空航天、機械加工等核心產業，對現代工業的發展起著舉足輕重的作用。
禁帶寬度：由半導體的電子態、原子組態決定，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態激發到自由狀態所需的能量；禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量。禁帶寬度為零的是金屬，禁帶寬度很大（一般大于4.5 eV）的是絕緣體，禁帶寬度居中的是半導體。
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