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產品知識
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金剛石在微電子技術中的應用
2012-6-19    來源:www.hargerandcompany.net    作者:大江研磨

      微電子技術與集成技術的飛速發展,帶動了硅電力電子器件的長足進步。然而,受硅材料特性的限制,在兼顧高頻大功率和提高溫度方面不可能有更大的突破。從大功率應用來看,制造電力電子器件的理想材料應同時具備禁帶寬、載流子遷移率高、熱導率大燈特點。相比之下,在眾多半導體材料中,硅單晶并非理想的選擇(見表2)。功率進一步發展,不應在于器件工作原理和結構的研究,必須從使用材料方面突破硅的限制開發新的領域.


  寬禁帶半導體金剛石的禁帶寬、擊穿場強高、熱導率大、介電常數小、載流子飽和速度高,綜合評價不同材料的晶體管的頻率和功率特性表明,金剛石不僅優于Si,GaAs等常規半導體,而且比其競爭對手6H-SiC還高出數倍。由于金剛石具有良好的導熱性,主要作固體微波器件及固體萊塞器件的散熱片。


  在萊塞器件的二極管,CW硅雪崩二極管、碰撞雪崩渡越時間二極管和其它器件上都鑲有散熱片,散熱片吸收這些器件工作時所產生的熱。沒有這樣的吸收,器件的效率將會降低,甚至遭到損壞。以前都采用銅做散熱片,效果并不理想,1976年美國貝爾實驗室報道,利用金剛石做散熱片取得了良好效果。同時,金剛石也為微型雷達和通訊設備創造了有利條件。


  為了使二極管有效的工作,要求功率密度(單位體積的熱耗散量)為,或更多,并使T保持在200℃以下。當用銅做散熱片時,二極管最大面積不超過,它能逸散掉功率Q是10.但如果用金剛石散熱片,對于同樣的功率密度,二極管的面積可增大到所能逸散的功率Q達100,這就是說在微波率方面將提高10倍。在雪崩二極管上鑲上金剛石后,可得到大約3的連續波功率,這個功率是鑲銅的散熱片的類同二極管得到的最大值的4倍。


  現有各種類型不同性質的萊塞用于各種目的,半導體萊塞常用砷化鎵制造,因為小型輕便具有獨特的優點,但如果超過脈動方式的連續工作就存在熱的逸散問題。鑲在銅上的砷化鎵面型萊塞為正常工作需要用液氮冷卻到-132℃,而用金剛石散熱片能是它在-68℃下正常工作,這就意味著器件可用干冰來冷卻,而干冰制冷的設備是很簡單的。


  在1994年,報到了金剛石肖特基二極管工作溫度可達到1000℃,非常適合高溫環境下工作。金剛石雙極及場效應晶體管的研究也取得了一些進展,但是金剛石雙極晶體管是采用天然金剛石做的,只是為了研究,還沒有商品化。因為低溫低壓下合成的n型參雜金剛石還沒有解決(p型金剛石通過參雜早已實現,其功率可達,并且已經成熟的應用做半導體器件),且摻雜后形成的n 型金剛石電導率較低,目前達不到做雙極晶體管的要求。2003年7月,在美國自然雜志上報道了通過在摻硼形成的p型金剛石中加入氘元素進行氘化,把p型金剛石轉化為n型金剛石,在室溫下,得到的電導率為2/cm.該項研究成果有可能用于制作出金剛石pn結,則進一步會制作出金剛石二極管和雙極晶體管以及各種電路。他們利用微波等離子體CVD法首先制作出500nm 厚的摻硼金剛石薄膜,然后把樣品放在氘等離子體中,溫度為550℃,保持8個小時,然后分別在520℃,600℃和650℃進行退火,把p型金剛石轉化為n型金剛石?梢哉f,這是目前得到的最高電導率的n 型金剛石。研究表明,在天然金剛石上做的二極管和雙極晶體管以及MIS、MES、MOS 場效應晶體管具有很好的性能。在人工低溫低壓合成的多晶金剛石制作的MISFET,它的 可以達到2.7GHz, 最高振蕩頻率 為3.8GHz.高壓合成金剛石制作的 MESFET的 可以達到2.2GHz, 最高振蕩頻率為7GHz.2003年9月,有報道日本電報電話公司(NTT)已經開發出一種工作頻率為81GHz 的,運行速度高于其他半導體器件2倍的金剛石半導體器件。在材料制造過程中,他們利用一種高純度的氣體消除金剛石晶體中的缺陷和石墨,把材料中的有害雜質減少到原來的0.05,在650℃和750℃下生成金剛石層,其電子遷移率可達1300/(V.s)。NTT 實驗室和成功地制造出場效應晶體管(FET)的德國烏爾姆大學合作,利用NTT 實驗室的金剛石薄膜技術正在研發金剛石半導體器件。 NTT 正致力于進一步減少材料中的雜質以增加金剛石晶體的純度,使器件的工作頻率達到200GHz,輸出功率為30W/mm 的要求。他們期望金剛石器件能夠在數字電視廣播站的接收機、發射機這類高頻高功率應用環境中取代真空管。因此可以預見,只要解決金剛石高質量、大面積、單晶膜的制備技術,金剛石半導體器件和集成電路因其優越的性能將在Si、SiC 和GaN 半導體器件和集成電路難以適用的環境中得到廣泛應用。另外。金剛石有極高的熱導率,更適于制作微波功率器件及集成電路。

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