作者：袁明文 单位：中国电子科技集团公司
1金刚石场效应管
由于器件的有源沟道形成机理不同，形成了两种金刚石场效应管。一种是掺杂沟道型，依靠设计和掺杂（包括δ掺杂），场效应管具有较薄的高浓度掺杂层，即沟道层，多数器件采用带场板的栅电极和挖槽结构；另一种是表面沟道型，利用氢端面的金刚石表面性质，即氢端面产生的准二维空穴气，而不是依靠外部的杂质掺杂，形成器件的表面沟道，室温下完全激活的沟道电荷密度1013cm－2。目前，已经研究的金刚石场效应管主要有两类［2］。①δ掺杂场效应管（FET）：δ掺杂沟道金属－半导体场效应管（MESFET）；δ掺杂沟道结型场效应管（JFET）。②表面沟道场效应管（FET）：表面沟道金属－绝缘物－半导体场效应管（MISFET）；表面沟道MESFET。大多数射频金刚石FET制作在高压高温生长的晶相（001）金刚石单晶衬底上，以实现器件的高增益和射频工作。1994年，日本早稻田大学H．Kawarada等人［3］报道了空穴累积层沟道的金刚石MESFET。德国乌尔姆大学A．Aleksov等人［4］以及日本NTT公司M．Kasu等人［5］提高了金刚石MESFET的性能，并测量了射频功率和噪声系数。2005—2006年，K．Ueda等人［6］改善了金刚石MOSFET的性能，获得输出功率1W，特征频率fT为30GHz。M．Kasu等人［7］研制了大颗粒金刚石膜FET。K．Hirama等人［8］采用高品质多晶CVD大颗粒金刚石膜，获得fT和fmax较高的金刚石FET，其特征频率fT为45GHz，最高振荡频率fmax为120GHz，源漏电流IDS为－550mA／mm。这表明迄今为止采用多晶金刚石，尤其是4英寸衬底的金刚石电子器件最有前途。大颗粒金刚石MOSFET也有良好结果，特征频率fT为45GHz，源漏电流IDS为－790mA／mm。
1．1掺杂型场效应管为了利用本征CVD金刚石的电荷传输特性，即高迁移率和低寄生电容，科研人员研究了金刚石掺杂型场效应管。他们不仅提出了金刚石MES－FET器件设计的侯选概念图，如图1所示的金属半导体场效应管［9］，而且制备出相关的实验器件，并获得初步的器件性能。
1．1．1P－I－P金属－绝缘物－半导体场效应管（MISFET）P－I－P表示具有本征有源沟道和重掺杂p＋型源和漏的器件结构。这种晶体管结构的载流子传输概念与掺杂沟道FET不同，其电流就是空间电荷限制的电流。与硅晶体的情况相反，由于金刚石中氧端面的电势被钉扎，不受栅电势的影响，也不会形成反型层，电流传输就是纯粹的受限制的空间电荷。为了缩短器件的沟道长度并提高沟道电流密度，将器件设计成2维MISFET，经过腐蚀挖深槽、掺杂导电沟道、淀积栅介质和金属，加工后的示意图如图1（a）所示。栅极区下的空穴从源接触区进入附近栅下的沟道。栅介质将栅和沟道分开，注入电流又变成1维的传输。理论上，这种器件的优点在于本征材料的载流子实现没有杂质散射的传输，达到非常高的空穴迁移率，如报道过的3800cm2／V•s［1］。H．El－Hajj等人［10］研究了δ掺杂沟道的MISFET，他们采用Al2O3栅二极管和栅极凹槽的结构，导致室温下整个沟道载流子激活，并实现对沟道电流的夹断调制。器件的栅长0．8μm，沟道电流密度为30mA／mm，其特征频率fT和最高振荡频率fmax分别约为1和3GHz。
1．1．2δ掺杂型MESFET具有单δ掺杂层的MESFET如图1（b）所示，δ掺杂层位于两层“非掺杂”的本征金刚石层之间，其很薄，只有几个原子层厚。由于薄δ掺杂层的空穴扩散，主要是本征层具有导电性。具有双δ掺杂层的MESFET如图1（c）所示，在源漏区下设计了顶层的δ掺杂层，以改善欧姆接触，减少寄生电阻，而埋层的δ掺杂层则形成器件工作电流。M．Schwitters等人［1］研制δ掺杂MESFET时，为了避免氢端面的金刚石表面电荷，采用了具有钉扎表面势能1．7eV的金刚石氧端面。在重掺杂区的表面形成源漏欧姆接触金属化，由20nm厚的无定型W和Au的覆盖层组成，并采用电子束蒸发WSi靶，再淀积金的金属化层，WSi合金中Si的组分是33％。器件的设计图如图2所示，欧姆接触层直接淀积在硼的δ掺杂层上，这种方法使得源漏电极接触到较高的载流子区（位于δ掺杂层与本征层之间）。采用WSi层的优点是高温稳定，并有利于选择外延。器件采用铝的肖特基接触，直接淀积在本征沟道层上，这种结构的肖特基势垒高达1．3eV。由于器件表面受到氧端面的屏蔽，必须采用挖槽工艺，即在Ar／O2等离子体中反应离子腐蚀（RIE）挖槽，提高栅电极的性能，并减少寄生电阻。器件的实际栅长0．5μm。该器件获得准晶体管的电流－电压特性，器件沟道具有夹断特性，但是源漏电流太小，小于1mA。
1．2表面沟道型场效应管采用氢端面的金刚石制备MESFET器件是一种不错的选择，即在CVD制备金刚石过程中采用氢处理的表面导电沟道。这种p型表面沟道器件具有很低的反向漏泄电流和较高的击穿电压，多数具有良好性能的MESFET采用自对准栅工艺。
1．2．1表面沟道型MESFET迄今为止，科研人员已经研究的金刚石MES－FET包括多种不同类型的金刚石衬底。①含氮的绝缘体金刚石［2］。该器件的栅长0．2μm，获得了良好的表面沟道MESFET的直流输出特性，最大漏电流密度高于300mA／mm，最大漏偏压达68V，其射频输出功率密度可高达3W／mm。最大可用增益和最大单向增益外推的特征频率fT为11．5GHz，最高振荡频率fmax为31．7GHz。②HTHP（001）金刚石。在M．Kasu等人［7］制作同质外延金刚石（001）FET时，在高温高压合成的单晶（001）衬底上，采用微波等离子体CVD技术同质外延约1μm厚的氢端面薄层，并在氢端面下几纳米厚的埋层，沿着表面形成稳定的空穴沟道。其空穴迁移率150cm2／V•s，室温的表面密度5×1012cm－2。器件结构如图3所示，并采用标准的共平面多指结构。器件采用氧等离子体实现电隔离，直接在氢端面上淀积Au并金属化，形成欧姆接触。采用自对准形成T型的铝栅金属化。器件栅长0．1μm，栅宽100μm，在1GHz频率下，最高输出功率密度2．1W／mm，最高功率增益10．9dB，附加效率31．8％。③多晶金刚石。K．Ueda等人［6］研制的多晶金刚石MESFET采用自对准技术形成铝的肖特基栅电极，并在氢端面上制作金的源漏电极，如图4所示。该器件具有优良的直流和射频性能。其源漏电流密度IDS为550mA／mm，跨导gm为143mS／mm，特征频率fT为45GHz，最高振荡频率fmax为120GHz，远比最好的单晶金刚石FET的fT和fmax优越。M．C．Rossi等人［11］采用多晶金刚石研制的微波功率器件，即表面沟道型MESFET，其电流密度达到120mA／mm，在1GHz频率下，输出功率密度0．2W／mm，线性功率增益7dB，附加效率22％。P．Calvani等人［12］也研究了具有表面沟道的MES－FET直流和射频性能。器件采用氢端面的多晶颗粒金刚石薄膜，多晶颗粒尺寸为100～200μm，器件栅沟道长1～3μm，并采用自对准技术。栅长1μm的MESFET，其最大电流密度达120～140mA／mm，最高振荡频率fmax达35GHz。#p#分页标题#e#
1．2．2表面沟道型MOSFET尽管采用同质外延或大颗粒的多晶CVD金刚石都能够制备MOSFET。但是，由于Ⅰb型金刚石具有高浓度的氮施主，达到1018cm－3以上，在Ⅰb型高温高压金刚石衬底上的非掺杂层中不存在空穴积累层。只有在Ⅰb型金刚石衬底上，再同质外延非掺杂的金刚石薄膜，才能产生空穴积累层。与Ⅰb型金刚石相反，元素六公司的大颗粒金刚石则属于Ⅱa金刚石。据该公司称，其采用CVD法、没有掺杂任何气体而淀积的Ⅱa金刚石类似于非掺杂的同质外延薄膜。迄今为止，大多数射频金刚石FET制作在高压高温HPHT（001）单晶衬底上，而实现高增益和射频工作的器件则是采用HPHT单晶衬底上的金刚石同质外延层。其最高的源漏电流IDS约为300mA，最高特征频率fT达30GHz；在频率1GHz下，射频功率密度达2．14W／mm。然而，迄今为止具有商业价值的HPHT单晶金刚石衬底尺寸仅约为5mm。为了实现金刚石大面积集成电路的梦想，人们翘首以盼在大面积的金刚石衬底上制作高性能的FET，而多晶金刚石衬底是最有希望的。K．Hirama等人［8］采用CVD生长大颗粒金刚石制作的MOSFET具有较高的器件性能。在（110）晶面优先生长的大颗粒金刚石表面上制作的MOSFET获得了较好的性能，其最大源漏电流IDSmax约为790mA／mm，特征频率fT达45GHz。K．Hirama［13］分析了大颗粒和同质的外延金刚石MOSFET，其认为前者较为优越，原因为：①多晶颗粒尺寸较大。这种大颗粒金刚石是元素六公司出售的“器件级”CVD多晶金刚石膜，与常规的“光学级”相比，其颗粒较大、残留杂质浓度较低。颗粒尺寸为100μm×275μm，而典型的射频金刚石FET栅指大小只有50μm×0．2μm，其可保证有许多完整的FET栅指。另据报道，若采用小颗粒金刚石膜制备的器件则由于存在更多的颗粒边缘，导致电容CGS和CGD增大，而fT降低［14］。②C—H键的密度较高，这使晶面（110）能够吸引更多空穴载流子的表面吸附物。C—H键密度、C—H与表面之间的夹角都是重要的参数。因为，晶面（110）的C—H键的密度是晶面（001）的1．4倍，分别为2．2×1015和1．57×1015cm－2；晶面（110）比（001）的表面电阻低，分别约为5和10kΩ／□，晶面（001）器件的IDSmax是（001）表面晶向器件的1．5倍。③氢处理后保持氢端面平坦。由于氢端面金刚石的空穴积累层靠近表面，形成薄栅绝缘层时，表面的性质，如表面粗糙度、晶向和颗粒的尺寸都会直接影响金刚石MOSFET的性能。常规的氢等离子体处理采用的微波功率750W，温度500℃，反应室的压力35mmHg，时间30min。处理前后金刚石薄膜表面有显著差异，粗糙度增加，出现断裂等。为了获得平坦的氢端面，采用间接的等离子体系统（图5）。采用这种方法，等离子体功率较低，等离子体与衬底距离可调，只有氢原子团达到衬底，而没有任何离子腐蚀金刚石，或损伤表面附近的C—C键。经过氢原子团辐射后，表面的粗糙度没有变化，仍保持在约1nm。
2金刚石双结晶体管（BJT）
1982年，J．F．Prins［15］报道了金刚石双结晶体管（BJT），该器件采用p型单晶金刚石，并注入碳杂质形成n型导电层，其主要问题是没有找到有效的浅施主，没有引起科研人员的关注。直到2000年，这类器件才从理论和实验上得到了验证。他们分别采用硼和氮作为p和n型掺杂，实现了200nm厚掺杂氮基区的BJT结构器件。
3金刚石基二极管
金刚石既是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半导体材料，也是制造高温和高工作电压肖特基势垒二极管的优良材料。
3．1肖特基势垒二极管（SBD）N．Tatsumi等人［16］研制了金刚石肖特基势垒二极管，其击穿电场比SiC的2．4MV／cm还高，铂（Pt）肖特基势垒二极管的击穿电场达到3．1MV／cm；其反向漏泄电流较低，比SiC的低3个数量级；其正向电流密度较高，达到3000A／cm2；在高温下工作，并长期稳定（400℃，1500h）。在其4个边角上淀积欧姆接触电极Ti／Pt／Au，中间是不同形状的Pt肖特基势垒电极。据A．Vescan等人［17］的报道，金刚石肖特基二极管的工作温度达到800℃，该二极管器件是在掺硼的金刚石表面上淀积了一层硅基的肖特基势垒材料。
3．2金刚石异质结二极管T．Zimmermann等人［18］研究了一种新颖的金刚石异质结二极管。这是一种高效的整流二极管，其p型部分是单晶的金刚石，n型部分是掺杂氮的超纳米－结晶金刚石（UNCD）层。金刚石异质结构二极管纵向的截面图如图6所示。其衬底采用商用的Ib型单晶金刚石，晶面（100），采用MPCVD法在衬底上生长高掺杂硼0．5μm的p＋接触层，并且生长低掺杂硼0．5μm的p－有源层。最后，采用MPCVD法生长0．5μm掺杂氮的薄膜。室温下，电流－电压测量表明，整流效果（±10V）提高了8个数量级。这种新颖的材料系统显示出非常好的热稳定性，并且可以一直测量到1050℃（真空）。这种二极管势垒的电流－电压特性相当复杂，其异常特性可采用硅和碳化硅“合并二极管”的概念来解释，分别表示UNCD晶粒与其他晶粒相关的异质界面特性，掺杂氮的晶粒形成自建势能约3．8eV的金刚石pn结，与分布的自建势能约0．7eV的二极管并联。构成了具有较低的正向损耗和较高的击穿电压的器件结构。这是一种新颖的金刚石异质结二极管，也是少有的超高温、稳定的电子器件。
4表面声波（SAW）器件
SAW滤波器是一种重要的电子器件，其功能是将射频电子信号转换成机械振动，发出声音。高性能的SAW滤波器件要求SAW材料的工作频率在10GHz以上，而金刚石材料具有明显的优势。实际上，金刚石薄膜只是与淀积在金刚石上的压电材料，如ZnO，LiNbO3或LiTaO3构成多层结构中的一部分。金刚石是目前所有物质中声传播速度最快的材料（17500m／s），其具有优良的导热性和耐热性，而且其硬度、杨氏模量和韧性都非常高，有利于声学波的高保真传输。适合大功率发射端高频滤波器等的应用，这些特性使金刚石SAW器件成为研究的焦点之一［19］，金刚石基的SAW滤波器已经实现商业化。日本住友等公司已经开发出用于移动电话设备的金刚石基SAW滤波器。未来几年内，金刚石SAW滤波器将成为所有高频通信设备，包括电话网、有线电视和互联网的重要元件。#p#分页标题#e#
5真空场发射器件
CVD法淀积的金刚石膜具较有低的负电子亲和力，是电子场发射极的极好材料；其具有最结实的晶体结构，场发射器件也最稳定和可靠；其具有较高的击穿电压和热导率，可在高温和很高的电场下工作；其真空场发射极能够高速、高能量地调制电子传输，避免高温、辐射和离子轰击。这些独特的材料性质使真空微电子技术有了新突破。在W．P．Kang等人［20］研制的纵向金刚石场发射三极管和横向金刚石场发射二极管中，用纳米级的尖锥型金刚石和自对准栅金刚石作为电子场发射极，获得了良好的实验结果，其纵向金刚石场发射二极管发射电流高达0．1A；垂直结构的栅控金刚石三极管也具有良好的晶体管特性，其直流增益较高，交流输出电压（峰值之间）约为100V。横向金刚石场发射二极管的阴极－阳极间距小于2μm。横向金刚石发射极具有较低的开关电压为5V，并具有较高的发射电流为6μA。这种较低的开关电压（约3V／μm）、高发射特性是迄今报道非常好的横向场发射结构。
6微电子机械系统（MEMS）
在MEMS领域，金刚石膜将扮演重要的角色。金刚石膜MEMS已成为人们关注的热点领域。由于金刚石具有热力学和化学的稳定性，集几种优良的材料性质于一身，如压电特性、高机械硬度、耐磨损，低摩擦系数（可与聚四氟乙烯媲美）和高热导率，成为物理传感器和MEMS的理想材料。金刚石器件可在恶劣环境下耐高温和高压工作，是硅和砷化镓材料无法比拟的。近期，人们尤其关注UNCD。因为，采用UNCD技术能够以350～400℃的低温，在直径尺寸达到200mm的硅圆片上重复均匀淀积100nm的UNCD薄膜，并与CMOS工艺兼容。UNCD不仅可作为研制射频MEMS／NEMS的功能材料，而且将会提高器件的射频性能。UNCD基射频MEMS正从实验室走向实用化阶段［21－22］。
7光学器件
由于金刚石优良的光学性质，从远紫外到红外的波长范围均具透明性。金刚石光学器件包括激光二极管和发光二极管等。金刚石也已经开始应用于光学元件，尤其是采用金刚石作为红外元件的保护膜，更适应于恶劣的环境。CVD法制备的金刚石薄膜能够保护很脆、易损伤的ZnS，ZnSe和Ge基的红外窗口。无悬挂健的多晶膜能够获得光学的平坦度，具有广阔的应用前景。
8结语
金刚石是一种集化学、物理和机械优良性质于一身的碳元素的一种同素异形体。尤其是在电子学上，其具有许多优良的电气性质，如宽带隙、高击穿电场、高迁移率、高载流子饱和速度和高热导率。器件的工作温度高于500℃，在高功率、高温度等恶劣环境下工作的器件应用前景广阔，其将真正实现由固态电子元器件取代大功率电子真空管。金刚石价格极其昂贵，幸好已经可以人工合成金刚石，在4～8英寸的衬底上淀积金刚石膜已有显著进展。采用多晶金刚石，尤其是4英寸高质量多晶膜衬底是金刚石电子器件最有前途的衬底。目前的功率器件，如场发射器件以及二极管双结晶体管（BJT）、场效应管（FET）、传感器和微机械系统（MEMS）仍处于实验室阶段，只有表面声波（SAW）滤波器已经实现商用化。
