1.1 研究目的及意义

随着汽车技术、电子技术快速发展以及消费者对汽车舒适程度的要求越来越高,汽车电子化、智能化、网络化已是大势所趙。汽车电子产业随着汽车的迅速普及而呈现加速发展的趙势,汽车电子产业的发展及其在汽车上的应用程度决定了未来汽车工业的发展趋势。我国从20世纪90年代开始进行汽车电子产品的研发及产业化, 但由于起步较晚，基础薄弱,汽车电子产品发展落后于汽车整车的发展,产品和技术与国外差距较大, ,我国汽车电子产业仍处于起步发展阶段。

汽车电子产业的核心问题是芯片。在高性能半导体器件贸易上，西方国家从1949年起长期对华禁运，外资企业牢牢占据着国内汽车电子市场和技术的决定权。在大面积晶圆生长、半导体掺杂和退火等关键工艺上，包括日本、台湾等掌握先进技术的国家和地区，长期对华封锁。高性能半导体器件的匮乏，已经开始制约我国汽车、高铁等领域高端装备的发展。我国2006年成立的“02专项”，开启了高端半导体产业的破冰之旅。2016年7月国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》中，明确将第三代半导体产业和技术的发展确立为国家重大战略任务。未来，谁拥有高质量的芯，谁就能占据产业制高点。

金刚石是天生的半导体材料^[1]，由单一的碳元素构成，从元素角度，自然界极为丰富。最为重要的，如图1（a）所示，相比于传统的Si、第三代半导体翘楚GaN和号称上帝材料的SiC，金刚石拥有更大的禁带宽度，超高的击穿电场，令人兴奋的热导率，极高的电子迁移率和超低的介电常数。禁带宽度越大，造成本征激发所需的温度就越高，极限工作温度越高。击穿电场越大（功率耐受性好）、热导率越高（散热越快）、电子迁移率越大和介电常数越低，极限输出功率和工作频率越高，如图1（b）所示。金刚石半导体器件优异的上限工作温度、输出功率和工作频率，使其成为先进装备的首选。

本人希望抓住金刚石这个天命的半导体材料，研究金刚石高质量制备及掺杂等工艺问题，为中国汽车电子行业的腾飞添砖加瓦。

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

金刚石单晶的制备方法主要有高温高压法和化学气相沉积法。高温高压法利用石墨在金属催化剂的作用下转变成金刚石，合成的单晶金刚石中掺入大量金属杂质，极大的降低了金刚石的光电学性质，并且由于设备的限制，高温高压法难以制备出大尺寸的单晶金刚石。相比之下，微波等离子体化学气相沉积（Microwave Plasma CVD, MPCVD）法在高质量和大尺寸单晶金刚石的生长方面具有明显的优势^[2]，目前，已制备出2英寸左右的单晶金刚石衬底^[3]，在较快速度生长上也取得了一定突破^[4]。虽然金刚石单晶制备有很大进展，但是金刚石的半导体掺杂还难以达到高性能半导体器件的要求。

1.2.1 金刚石掺杂

金刚石的p型和n型掺杂是研制金刚石半导体器件的关键。金刚石的p型硼掺杂能够较为稳定的实现^[5]，而n型掺杂还存在尚未解决的问题，是大家关注的焦点。金刚石的n型掺杂可能的施主元素包括：I族元素（Li、Na），V族元素（N、P、As、Sb）和VI族元素（S）等^[6]。Li和Na作为间隙原子的理论激活能分别是0.1eV和0.3eV，是金刚石中可能的施主。而实验中Li和Na掺杂的金刚石都表现出很大的电阻和较低的电离率。另外，由于Li和Na在金刚石中溶解度很低，较难掺入金刚石晶格中。As和Sb的掺杂目前在实验和理论上还未得到充分的证实，并且它们的原子半径都很大，更难掺入金刚石中。S元素虽能实现n型掺杂，但导电性能很差。

目前只有磷元素可以在金刚石中实现较为稳定的n型掺杂，如图2所示。磷在金刚石中的激活能为0.58eV，属深能级。金刚石（111）面磷掺杂已能实现高的磷浓度，但霍尔电子迁移率还较低，载流子浓度在室温下低于10¹⁴cm^-3，与半导体器件要求还有较大差距^[7]。