金剛石半導體器件的研究進展

王凡生，劉 繁，汪建華，魯振海，王連忠

等離子體化學與新材料湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

對于提供低功耗和高頻操作的下一代電力電子器件，金剛石是一種極有前景的材料。金剛石具有極低的本征載流子濃度，有望實現低泄漏電流與高溫操作。表1 比較了Si、4H-SiC、GaN、Ga2O3和金剛石的性能。金剛石具有很高的載流子遷移率（電子和空穴遷移率分別為4 500和3 800 cm2/Vs）［1］、超高的擊穿電場（＞10 MV/cm）、低介電常數（5.7）［2］和很高的熱導率（2 200 W/mK）。因此，人們期望基于金剛石基的功率器件能夠顯著地減少傳導損耗和開關損耗。

近十年來，金剛石生長技術得到了改進與提升，摻雜控制的p 型、n 型金剛石和本征金剛石生長技術已經趨于成熟。因此，這些材料的電學特性不僅可以從理論上進行表征，而且可以用器件結構進行實驗研究。例如，用瞬態電流技術估算電子和空穴的載流子速度［3］，用飛行時間和霍爾效應測量獲得載流子遷移率［4］。通過對平面肖特基勢壘二極管（Schottky barrier diodes，SBD）摻雜剖面和擊穿電壓的分析，得到了9.5 MV/cm 的最大擊穿場強［5］。近年來報道了許多金剛石SBD 的性能，如Vmax＞10 kV 的擊穿電壓［6-7］、大于20 A 的大電流操作［8］等。在本文中，回顧了金剛石半導體器件的近期進展。

表1 不同半導體材料的性能Tab.1 Performances of different semiconductor materials

1 金剛石器件

1.1 二極管

單極和雙極二極管，如p 型-本征-n 型二極管（p-type-intrinsic-n-typediode，PiND）、SBD、金屬本征p 型二極管（metal-intrinsic-p type diode，MiPD）和肖特基pn 二極管（Schottky pn diode，SPND）等具有代表性的器件性能參數已通過實驗測量如表2所示，金剛石二極管橫截面結構如圖1 所示。

1.1.1 PiND 雙極PiND 橫截面結構如圖1（a）所示，Hathwar 等［9］通過無臺式結構的PiND 獲得了最高大于11.5 kV 的最大擊穿電壓Vmax。……