半導體材料是室溫下導電性介于導電材料和絕緣材料之間的一類功能材料。其導電能力會隨溫度、光照及摻入雜質的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，這是其廣泛應用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據。

一、半導體材料的特性

半導體材料的特性參數有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯密度。

1.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。

2.電阻率、載流子遷移率：反映材料的導電能力；

3.非平衡載流子壽命：反映半導體材料在外界作用（如光或電場）下內部載流子由非平衡狀態向平衡狀態過渡的弛豫特性；

4.位錯密度：用來衡量半導體單晶材料晶格完整性的程度。

半導體材料的特性參數不僅能反映半導體材料與其他非半導體材料之間的差別，更重要的是能反映各種半導體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

隨著硅基電子器件逐漸接近其理論極限值，近年來對寬禁帶、超寬禁帶半導體材料的研究成為國際競爭的新熱點。氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導體材料，因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上，在室溫下不可能將價帶電子激發到導帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以在600℃以下長期穩定工作。

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廣泛應用于電學器件中。

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，質量最好的半導體摻雜技術是微波等離子CVD法。

1.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首選材料，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高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，提高器件的工作性能。

2.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。

三、金剛石半導體的應用

研究表明，金剛石作為超寬禁帶半導體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有一系列優異的物理和化學性質，如高載流子遷移率、高熱導率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數等，這使其在高新科技尖端領域中，特別是電子技術中得到廣泛關注，被公認為是最具前景的新型半導體材料。基于這些優勢，使用超寬禁帶半導體材料可以使新一代電子器件變得更小、更快、更可靠且更高效。這有助于減少電子元件的質量、體積以及生命周期成本，同時允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，也使得電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。

寬禁帶半導體尤其是金剛石在高頻高壓條件下具有廣泛且不可替代的應用優勢和前景，被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業界譽為“終極半導體”。 金剛石應用于半導體產業，首要條件是具備一定的規格尺寸及品質要求。天然金剛石在地球上的儲量非常稀少，能夠滿足半導體產業尺寸品質需求的天然金剛石比例更小，而且價格昂貴，因此如何大幅降低大尺寸金剛石單晶材料的成本是解決半導體產業對其大量需求的根本途徑。

金剛石單晶的制備方法主要有高溫高壓（HPHT）法和化學氣相沉積（CVD）法。高溫高壓法制備的金剛石單晶一般會含有一定量的雜質，影響金剛石的純凈度和品級，且作為半導體材料，摻雜濃度不易控制，對合成技術要求比較苛刻。CVD法包括HFCVD法、微波等離子體（MPCVD）法、直流噴射法等幾種。其中MPCVD法由于采用無電極放電，可產生純凈的等離子體，避免了其他生長方法中由于電極等造成的污染，成為制備高品級金剛石的首選方法。

四、金剛石作為半導體材料的應用還存在以下的問題

盡管金剛石在半導體材料應用方面具有諸多優勢，但仍存在以下問題亟需解決：

1.缺乏大尺寸金剛石襯底，阻礙了大尺寸金剛石的生長，通過馬賽克法將小尺寸襯底拼接，可以制備出大尺寸單晶，但在拼接處存在缺陷，影響金剛石膜的質量，并且采用拼接方法制備的大面積襯底并不能增加后續的器件工藝中單位面積的器件數量，阻礙了金剛石的應用。在金剛石制備的探索中，可以通過慢速生長并優化其他生長條件的方式制備出質量較佳的金剛石材料。也可以通過加強對異質外延生長的研究，以期實現大尺寸金剛石的制備。

2.需要更加深入的研究金剛石p型和n型摻雜。通過改變硼源、調整硼的摻雜濃度以提高摻硼金剛石的載流子遷移率、降低電阻率，使其制備的器件具備更好的性能。金剛石n型摻雜一直是困擾科學家們的難題，除了采用改變磷源和降低載流子濃度的方法外，還可以嘗試尋找比磷更合適的摻雜元素，以實現金剛石更好的n型導電性能。

3.實驗得到的金剛石器件的性能還未達到預期效果。這主要存在兩個問題，其一是難以控制外延膜的摻雜，為了控制金剛石功率器件的電場和串聯電阻，需要精確控制選擇性區域的摻雜濃度；其二是器件制備工藝存在一定的困難。在器件制備過程中，可以采用邊緣終端鈍化、金屬-絕緣體半導體結構和離子注入等技術提高器件的性能，并且場板結構技術可以鈍化金剛石表面，使其表現出更好的性能。材料制備、器件設計及制造和應用研究方面的緊密結合，可以將培育金剛石器件的研究推上一個新的臺階。

相信經過科學家的不斷研究和改進，大尺寸高質量金剛石的制備技術取得突破，n型摻雜及器件制備等困難都會迎刃而解，使越來越多的金剛石產品走進人們的生活。一旦以金剛石為基體的寬禁帶半導體可以大規模應用，那么目前世界上的硅基半導體產業將面臨巨大變革，金剛石寬禁帶半導體將會引領下一次半導體產業革命。相信不久的將來，我們就能看到金剛石半導體材料的應用給我們帶來的驚喜。

審核編輯 ：李倩