微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備大尺寸單晶金剛石的研究進展*

牟草源，李根壯，謝文良，王啟亮，呂憲義，李柳暗，鄒廣田

（1.吉林大學(xué)物理學(xué)院超硬材料國家重點實驗室，長春 130012；2.吉林大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057）

1 引言

功率器件將電能從一種形式快速轉(zhuǎn)換為另一種形式，是電力系統(tǒng)的一項重大創(chuàng)新。在過去的幾十年中，基于Si材料的功率器件在電能利用方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用。未來20年，電力消耗的能源預(yù)計將占總能源消耗的60%左右，且占比會越來越高，而傳統(tǒng)的Si基器件正逐漸逼近其材料理論極限。因此，開發(fā)基于新材料和新結(jié)構(gòu)的功率器件從而不斷提高其功率密度和工作頻率是高效利用電能的基礎(chǔ)。金剛石作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體，已成為下一代功率電子學(xué)和光電子學(xué)最有潛力的材料之一。與傳統(tǒng)的Si基器件相比，金剛石器件具有高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高臨界電場等眾多優(yōu)勢，可用于火車、船舶、可再生能源系統(tǒng)和電力干線系統(tǒng)的大功率發(fā)電機及逆變器等高壓領(lǐng)域。發(fā)展金剛石功率器件滿足碳達峰與碳中和等重大社會需求，已被國家列入“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項。

目前，Si和SiC器件采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及超結(jié)（SJ）晶體管等新型器件結(jié)構(gòu)以提高功率密度和效率。雙極型器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)雖然能有效降低正向?qū)娮瑁涓唛_啟電壓亦會明顯增大器件的正向?qū)〒p耗。而金剛石材料的高臨界擊穿電場使得在相同耐壓等級時器件具有更低的電容及導(dǎo)通電阻。……