易额将达到980亿美元,单价将下降到2~4美元/克。虽然金刚石功率器件的发展远远落后于Si器件,但近十年来化学汽相淀积技术的迅速发展为金刚石薄膜器件的进一步发展提供了可能。
从技术角度看,金刚石薄膜器件的研究可分为两条途径:一是外延生长掺杂金刚石单晶膜,一般采用同质外延;二是在非金刚石衬底上生长金刚石多晶膜用来制作功率器件,特别是Si及GaAs无法应用的高温、高压以及高频、高功率微波固体器件等。目前人们已成功研制出金刚石薄膜肖特基二极管和场效应晶体管,其水平大致如下:
-7.2 1)最小的欧姆接触电阻为10Ωcm。
2)最大的肖特基二极管整流比为If/Ir=107。
6 3)最大的击穿电场为3×10V/cm。
4)对于FET,最大的跨导为0.22mS/mm,漏电流为μA数量级。
5)最高的工作温度在350℃以上,最高工作电压为100V。
金刚石薄膜肖特基二极管可以制作在天然或合成的单晶金刚石上,也可以制作在同质或异质外延的金刚石膜上。但是一般情况下整流器的串联体电阻比较大,严重影响其整流性能,采用p+衬底可适当改善这一问题。1994年W.Ebert等人研制的p/p+金刚石肖特基二极管[7]在150℃时的串联电阻仅为14Ω,500℃时下降到8Ω,这是当时串联电阻最小的肖特基二极管,±2V时的整流比为105。此外,由于金刚石半导体功率器件一般工作在高温、高压条件下,所以其反向漏电流往往比较大。为了降低反向漏电流,采用高质量的单晶金刚石衬底是很有必要的,因为衬底质量将严重影响反向泄漏电流。
由于金刚石的施主掺杂非常困难,因此对FET的研究主要集中在MESFET上。虽然目前已通过CVD方法成功研制出许多场效应管,但是由于工艺的限制,试验结果远低于其理论值。研究表明,采用脉冲沟道掺杂有利于提高器件的跨导与最高工作电压。1995年Hiromu Shiomi研制出一种脉冲掺杂的p沟道MESFET;1997年德国Ulm大学的A.Vescan又研制出一种脉冲掺杂的新型MESFET(如图2所示)[8],该器件包括脉冲掺杂沟道,选择生长并重掺杂的欧姆接触区以及用Si形成的源、漏、栅接触。Ib单晶合成金刚石作衬底。同质外延膜用微波汽相化学淀积(MWCVD)制得,该器件的工作电压可达100V。该MESFET是第一只用肖特基栅控制的高温金刚石场效应管,350℃时最大跨导为0.22mS/mm,是目前跨导最高的金刚石场效应管。