“鉆石恒久遠”的百年騙局，埋沒了鉆石的才華，大材小用。你以為他是土豪，實際上人家是*，金剛石在工業(yè)領域的應用體量遠大于珠寶領域。尤其是在未來高精尖領域，金剛石材料大有可為。
在后摩爾時代， 碳基電子學的發(fā)展受到人們的廣泛關注， 在納電子學領域， 以一維的碳納米管和二維的石墨烯為主的碳基納電子學研究取得重大進展， 而在功率電子學領域，以終結半導體著稱的金剛石功率電子學的研究也呈現(xiàn)出勃勃生機， 展現(xiàn)出其將成為下一代功率電子學的潛力。
金剛石半導體，被業(yè)界譽為*半導體也是有原因的，目前主要研究熱點在哪，這要從金剛石本身的性質(zhì)出發(fā)。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了最高硬度以外，金剛石還具有半導體材料中最高的熱導率， 為AlN的7.5倍，基于這些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石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(yè)界譽為“*半導體”。
尤其是5G通訊時代迅速*展開，金剛石單晶材料在半導體、高頻功率器件中的應用日益凸顯。金剛石單晶及制品是超精密加工、智能電網(wǎng)等*重大戰(zhàn)略實施及智能制造、5G通訊等產(chǎn)業(yè)群升級的重要材料基礎，這一技術的突破與產(chǎn)業(yè)化對于中國智能制造、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)自主安全具有重大意義。
為此， 要求金剛石材料的研究向大尺寸、低缺陷、低電阻率和高導熱的方向發(fā)展。
目前對于金剛石半導體材料與器件的研究主要從以下幾個方面：
金剛石的制備方法主要分為高溫高壓法（HPHT）和等離子體化學氣相沉積法（PCVD），相對于HPHT法和其他PCVD法，MPCVD無極放電、無污染、外延可控性強，在大尺寸、高純度金剛石制備與摻雜研究方面優(yōu)勢更明顯，是高質(zhì)量和多領域應用金剛石制備的*方法。
在先進MPCVD設備關鍵技術開發(fā)及市場化方面，日本、美國及德國等國的團隊處于領跑地位。其中，在平板石英窗式MPCVD設備和CAP式MPCVD設備的開發(fā)應用方面，日本Seki公司在全球占據(jù)主導權，且保持技術*水平。在石英鐘罩式MPCVD設備開發(fā)應用方面，美國密歇根州立大學Asmussen團隊開發(fā)出高氣壓（＞2.4×104Pa）工作的高功率密度微波等離子體諧振腔，實現(xiàn)了金剛石的高速沉積。
在石英環(huán)式MPCVD裝置開發(fā)應用方面，法國Plassys和德國iPlas公司生產(chǎn)的MPCVD*代表性，其中iPlas的設備具有微波狹縫耦合式結構，適用于大尺寸金剛石的制備，但沉積速率不是特別理想。在橢球形諧振腔MPCVD裝置研發(fā)方面，德國Fraunhofer研究所和Aixtron公司始終保持著**水平，該結構的設備與石英鐘罩式或石英環(huán)式MPCVD設備相比，適用于匹配更大功率級別的微波電源，進而利于獲得更大面積的等離子體。獲得均勻穩(wěn)定、大面積的微波等離子體是MPCVD設備研制開發(fā)人員的*目標。
近年來，國內(nèi)MPCVD設備開發(fā)相關的研究團隊在新型MPCVD諧振腔的開發(fā)方面取得了一定的成果，但與國外先進團隊相比，國內(nèi)鮮有企業(yè)或機構突破實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)的技術難點。因此，微波等離子體諧振腔的自主優(yōu)化設計、大尺寸金剛石制備工藝的改善等關鍵技術的突破亟待國內(nèi)相關團隊持續(xù)的投入和鉆研，未來仍有較長的路要去探索。
作為半導體材料，金剛石單晶和多晶材料制備要求與應用方向大有不同。
CVD多晶金剛石膜的制備方法，包括高功率直流電弧等離 子體噴射CVD、熱絲CVD及 MPCVD等。光學級、電子級多晶金剛石膜的制備要求沉積速率理想和缺陷密度極低或 可控，無電極污染放電的MPCVD必然成了電子級、光學級金剛石膜制備的理想方法。但多晶金剛石生長速度較慢，其晶向一致性對加工至關重要，加工比較難。
目前，元素六公司已實現(xiàn)4英寸電子級多晶金剛石的商業(yè)化量產(chǎn)。北京科技大學李成明團隊、武漢工程大學汪建華團隊和太原理工大學于盛*團隊在MPCVD制備光學級多晶金剛石膜的研究方面均取得了一定的成果。雖然目前國內(nèi)光學級、電子級多晶金剛石膜與國際先進水平還存在差距，但國內(nèi)以上團隊開發(fā)的光學級多晶金剛石膜可滿足紅外／雷達雙模制導窗口、高功率CO2激光加工機窗口及高功率微波窗口的基本應用需求。
相對于苛刻的光學級、電子級多晶金剛石膜制備、應用條件而言，多晶金剛石膜作為半導體功率器件散熱的熱沉應用更廣，需求更大、更迫切。目前其沉淀的技術水平也較容易實現(xiàn)。
此外，多晶金剛石的制備成本相對于單晶金剛石的制備成本優(yōu)勢更加明顯。近30年來MPCVD多晶金剛石膜作為熱沉應用于半導體器件領域的研究從未間斷，目前英寸級Si基多晶金剛石膜應用于HEMTs器件中，器件的RF功率密度得到有效提高，達到23W/mm以上。當前，制備出的熱沉級多晶金剛石膜的尺寸可達到8英寸，隨著MPCVD技術的改善升級有望與現(xiàn)存的8英寸半導體晶圓制造產(chǎn)線兼容，最終實現(xiàn)多晶金剛石熱沉材料在半導體材料產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化應用推廣。
與多晶金剛石相比，無晶界制約的單晶金剛石（SCD）的光學、電學性能更加優(yōu)異，在量子通信／計算輻射探測器、冷陰極場發(fā)射顯示器、半導體激光器、超級計算機CPU芯片多維集成電路及軍用大功率雷達微波行波管導熱支撐桿等前沿科技領域的應用效果突出，而制備出大尺寸高質(zhì)量的SCD是前提。
金剛石作為晶圓，其尺寸必須要達到2英寸以上。目前制備大尺寸金剛石及晶圓的技術主要有同質(zhì)外延生長、馬賽克晶圓制備和異質(zhì)外延生長等技術。
馬賽克拼接法作為制備大尺寸SCD可行性較高的一種方法，將多片均一襯底拼接生長，結合剝離技術，已實現(xiàn)大尺寸 SCD的制備，目前已實現(xiàn)單晶wafer最大2英寸，但對襯底均一性要求高、存在晶界，會導致拼接處存在應力、缺陷等問題，影響了SCD拼接片的質(zhì)量。另外成本高，需要注入剝離技術，成品率很低。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
合成高質(zhì)量的同質(zhì)外延金剛石層是制備金剛石電子器件的重要技術之一， 其具有缺陷密度低的特點， 最大尺寸可達0.5 英寸 ( 1 英寸 = 2.54 cm)。在同質(zhì)外延制備單晶金剛石的過程中， 如何將單晶金剛石從襯底上剝離，是一個非常重要的環(huán)節(jié)，同時也是比較困難的。因為襯底同樣是堅硬無比的單晶金剛石，不能用普通的切割方法進行切割，常用的方法有機械拋光和激光切割。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
除了同質(zhì)外延，異質(zhì)外延也是生長大面積單晶金剛石的一種有效方法。異質(zhì)外延是指在 Si、藍寶石、MgO 等襯底上利用緩沖層來緩解金剛石與襯底的熱失配和晶格失配，最終實現(xiàn)單晶金剛石薄膜的生長，其中最有效的緩沖層為 Ir 等。理論上該方法可以生長面積足夠大的單晶金剛石，以滿足其在電子器件領域產(chǎn)業(yè)化需求。其主要不足是缺陷密度高。
在微波等離子化學氣相沉積 ( MPCVD) 生長技術中突破了加氮高速生長、脈沖放電高效率生長和離子注入剝離等關鍵技術后， 近 10 年來又實現(xiàn)了多方向重復的三維 MPCVD 高速外延生長 ( 生長速率 100 μm·h-1) ， 大尺寸、厚而無多晶金剛石邊緣的生長和采用等離子體 CVD 在 ( H，C，N，O)系統(tǒng)中 200 h 無邊界連續(xù)生長等創(chuàng)新技術。
對金剛石半導體器件而言，金剛石材料的摻雜是形成功率器件的基礎技術。金剛石半導體實現(xiàn)商業(yè)化的最大問題是金剛石的高效體摻雜尚未解決，制造P型晶體管容易、制造n型晶體管困難。金剛石的 p 型摻雜技術則比較成熟，主要摻雜物是硼原子。對 p 型金剛石來說，硼雜質(zhì)很容易就能融入天然金剛石和 MPCVD 金剛石，不存在晶體取向問題，但硼室溫下激活效率小于 0.1% 。硼在金剛石中的摻雜濃度和遷移率是此消彼長的關系，過大的摻雜濃度往往導致遷移率的迅速下降，當硼摻雜濃度為 1019 cm-3時，遷移率將降低到 100 cm2·V -1·s-1以下。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
根據(jù)金剛石的 C 原子( 共價半徑 0.077 nm) 在元素周期表中的位置來選擇，離的最近的是氮( N) 原子( 0.075 nm) ，這使其也成為金剛石 n 型摻雜的有利候補。然而，摻雜后置換金剛石中 C 原子的 N 原子由于伴隨 Jahn-Teller 效果，局部晶格產(chǎn)生歪斜，N 原子從置換的位置產(chǎn)生偏離，其摻雜能級非常深，為 1.7 eV，在室溫下難以產(chǎn)生導電。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
隨著金剛石半導體技術的不斷發(fā)展，未來必將突破n型摻雜技術、大尺寸高質(zhì)量單晶制備及高平整度、高均勻性材料外延技術等瓶頸問題，實現(xiàn)更高功率性能的金剛石電子器件。但這離不開科研人員的不懈努力！
功率二極管：近 10 年來， CVD 金剛石材料在大尺寸、低缺陷和重摻雜等方面的進展直接帶動了金剛石二極管向著高擊穿電壓、高擊穿場強、低導通電阻、高開關速率和高溫工作的方向發(fā)展， SBD 和 p-n 結二極管兩種類型均在開發(fā)， 其中金剛石 SBD 發(fā)展更快， 已處于初步的應用實驗階段。
金剛石二極管和晶體管擊穿電壓較低 ( 小于500 V) 的主要原因是難以控制金剛石中的摻雜物質(zhì)。金剛石是地球中原子密度最高的材料， 除少數(shù)小原子 H、P、N 和 Si 元素等， 很難將其他大原子加入其晶體中。
金剛石 p-i-n 二極管是先進的并適用于大功率應用的器件， 除了它的臨界電場為 3 MV·cm-1( SiC 理論極限) 以外，也可通過采用重摻雜層使金剛石 p-i-n 二極管的串聯(lián)電阻大幅度降低。近10年來，金剛石 p-i-n 二極管技術有了很大的進步，如突破了具有躍遷傳導機制的重摻雜的 p+ 和 n+ 層的制備；低阻躍遷電導的金剛石 p+-i-n+ 結二極管的載流 子 輸 運 機 制; 肖 特 基 金 剛 石 p-n 二 極 管( SPND) 的材料結構優(yōu)化設計；選擇生長 n+ 層、p-n 結二極管的界面缺陷對反向漏電影響的機理研究; 金剛石 p-i-n 二極管的反向恢復及少子壽命研究; 金剛石肖特基p-i-n二極管 ( SPIND) 的不均勻肖特基勢壘高度的機制等關鍵技術。
功率晶體管與邏輯電路
金剛石晶體管在功率電子學和微波電子學兩大領域均有進展。在功率電子學領域向高擊穿電壓、高擊穿場強、高溫工作、低導通電阻、高開關速率和常關器件的方向發(fā)展。金剛石晶體管以各類 FET為主， 包括金屬半導體場效應晶體管 ( MESFET) 、MOSFET 和 JFET 等， 其溝道有兩種: 金剛石氫終端表面二維空穴氣和 p 型摻雜層。隨著 n 型摻雜材料的進步， 開始出現(xiàn)雙極型金剛石器件， 近期還研發(fā)出異質(zhì)結雙極晶體管。在微波電子學領域以氫終端 FET 為主， 并且向高 fT /fmax 和高功率密度方向發(fā)展。
金剛石 MESFET采用肖特基勢壘來調(diào)制和控制溝道， 近幾年的技術進步有: 寬柵漏間距和輕摻 p溝道相結合， 柵源間距縮小的效應研究，通過了14.8 MeV中子輻照實驗， 較高的摻硼濃度和*的表面外延溝道層工藝，摻硼金剛石 MESFET 的高溫退火。
金剛石 MOSFET 是研究最廣泛的金剛石晶體管， 其采用 MOS 柵控制結構可抑制柵極的泄漏電流。近幾年， 金剛石 MOSFFT 以氫終端溝道器件為主， 突破了高度穩(wěn)定的 Al2O3柵氧化層結構等一系列關鍵技術。
對于工作在高電壓和高溫下功率器件的應用，比表面溝道 器件更加穩(wěn)定的金剛石體溝道器件JFET更具優(yōu)越性。
金剛石BJT是主要的功率開關器件之一。由于金剛石基 BJT 與氫終端金剛石 FET 相比， 沒有柵介質(zhì)層、氫終端表面電導率以及可實現(xiàn)少數(shù)載流子注入的電導調(diào)制效應， 導致其導通電阻可能更低。功率 BJT的關鍵參數(shù)是共發(fā)射極電流的放大系數(shù)，與金剛石FET 相比，其可實現(xiàn)電流放大， 以減小驅(qū)動電路的功率要求。
金剛石邏輯電路：開發(fā)金剛石邏輯電路是發(fā)展金剛石IC的*步， 隨著增強型金剛石 MISFET 的發(fā)展， 帶動了金剛石邏輯電路的研發(fā)。
射頻 FET：金剛石具有高熱導率、高擊穿場強和高載流子飽和速度等半導體特性， 為此， 金剛石的高頻、大功率器件也是金剛石電子學的研究熱點之一。
金剛石上 GaN HEMT：金剛石的原子之間共價鍵極強， 使剛性結構具有高振動頻率，其德拜特征溫度高達 2200 K， 聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導的阻力極小，其熱導率是銅的5倍，高達 2000 W/( m·K) 。寬禁帶半導體 GaN 微波電子學經(jīng)過近二十年發(fā)展已成為當前的主流， 其熱管理的問題已成為其進一步發(fā)展的主要障礙， 為此超寬禁帶金剛石的導熱優(yōu)勢和 GaN 技術相結合成為發(fā)展下一代 GaN 微波電子學的必然， 同時也為正在發(fā)展的 Ga2O3電子器件等的熱學管理提供參考。金剛石材料可以作為功率電子器件的熱學管理的材料，并且向著大尺寸、低界面熱阻、高導熱等方向發(fā)展。
隨著第三代半導體的大幅度應用及5G時代的來臨，傳統(tǒng)的電子封裝熱管理材料乃至芯片材料面臨升級換代的巨大挑戰(zhàn)，近年來迅速崛起的先進碳素及其復合材料，將在大功率、高頻光電子器件散熱領域發(fā)揮重要的作用，成為電子工業(yè)中理想的熱管理材料 ！(包括熱沉材料、封裝材料、基體材料等 )。
（圖片來自廣東工業(yè)大學王成勇教授Carbontech 2020 報告PPT）
金剛石散熱襯底在 GaN 基功率器件：氮化鎵（ GaN）基功率器件性能的充分發(fā)揮受到沉積 GaN 的襯底低熱導率的限制，具有高熱導率的化學氣相沉積（ CVD）金剛石，成為 GaN 功率器件熱擴散襯底材料的優(yōu)良選擇。相關學者在高導熱金剛石與 GaN 器件結合技術方面開展了多項技術研究，主要包括低溫鍵合技術、GaN 外延層背面直接生長金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術、單晶金剛石外延 GaN 技術和高導熱金剛石鈍化層散熱技術。
GaN 外延層背面直接生長金剛石則具有*的界面結合強度，但是涉及到高溫、晶圓應力大、界面熱阻高等技術難點。單晶金剛石外延 GaN 技術和高導熱金剛石鈍化層散熱技術則分別受到單晶金剛石尺寸小、成本高和工藝不兼容的限制。因此，開發(fā)低成本大尺寸金剛石襯底，提高晶圓應力控制技術和界面結合強度，降低界面熱阻，提高金剛石襯底 GaN 器件性能方面，將是未來金剛石與 GaN 器件結合技術發(fā)展的重點。
（圖片來自西安電子科技大學張金風教授Carbontech 2020 報告PPT）
高功率半導體激光器工作時，有源區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，降低激光器輸出功率，縮短使用壽命。金剛石具有高熱導率特性，將其作為過渡熱沉將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。
金剛石拉曼激光研究：受激拉曼散射是一種重要的非線性光學效應,受激拉曼散射可實現(xiàn)所有入射光子的固定頻率位移，無相位匹配需求，是拓展激光的使用波段范圍重要技術。該方向研究成為激光技術發(fā)展的一個熱點。
金剛石作為一種性能優(yōu)異的晶體拉曼材料，具有已知晶體材料中最大的拉曼頻移 1332.3 cm-1，其室溫下拉曼增益線寬約為 1.5 cm-1。金剛石的拉曼增益具有偏振選擇性 ，當泵浦光偏振方向和金剛石晶體<111>方向平行時，其拉曼增益最大 (10 cm/GW@1 μm)，且輸出線偏振的拉曼光。金剛石具有超高的熱導率，其超快的熱耗散能力是金剛石晶體在高功率運行下保持高拉曼增益不變并獲得高光束質(zhì)量激光輸出的關鍵。
近年來隨著化學氣相沉積制備工藝的提高，使得人造金剛石的光學品質(zhì)得到快速提升，光學級的金剛石晶體因此也以其優(yōu)異的拉曼和布里淵特性表現(xiàn)出優(yōu)異的功率提升、相干性增強以及頻率轉(zhuǎn)換能力，并推動金剛石激光器在極大程度上克服了基于傳統(tǒng)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器存在的熱效應、以及波長和輸出功率難以兼顧的難題。
當追隨摩爾定律成為產(chǎn)業(yè)共識，More Moore的提出似乎又為芯片制造業(yè)的發(fā)展增添了些許亮色。一般來說，More Moore指芯片特征尺寸的不斷縮小，它包括兩方面：為提高密度、性能和可靠性在晶圓水平和垂直方向上繼續(xù)縮小特征尺寸;采用3D結構等工藝技術以及新材料的運用來影響晶圓的電學性能。
（圖片來自寧波材料所江南研究員Carbontech 2020 報告PPT）
電子封裝材料用于承載電子元器件及其相互聯(lián)線，主要起機械支持、密封保護、散熱和屏蔽等作用，對集成電路的性能和可靠性具有非常重要的影響。隨著電子技術的發(fā)展，集成電路正向超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向發(fā)展，因而對封裝材料提出了越來越高的要求。金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/碳化硅、石墨/銅等多體系高性能封裝材料的研發(fā)，對促進電子封裝材料朝小型化、高性能、高可靠性和低成本方向發(fā)展具有重要意義。
金剛石材料及激光加工技術：相比于其他材料，金剛石具有高電阻率和高擊穿場強、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點應用于熱管理可滿足飛速發(fā)展的電子工業(yè)中高密度、高集成度組裝發(fā)展的要求激光加工可實現(xiàn)金剛石微結構的高質(zhì)量加工是當前國內(nèi)外重點研究的先進制造技術。
金剛石襯底的磨拋加工技術
半導體器件主要有集成電路、功率器件、光電子器件和傳感器等，功率器件廣泛應用于航空航天、軍事國防、電力能源、軌道交通、信息物聯(lián)。半導體晶圓是半導體器件的載體，半導體襯底是半導體晶圓的載體。襯底是半導體器件外延的基體，直接決定了器件的質(zhì)量和使用性能。
超精密加工
超精密加工的對象一般都是小尺寸的金剛石材料，對產(chǎn)業(yè)化而言成本過高，不利于進行產(chǎn)業(yè)化應用。要使金剛石成功應用于功率器件的散熱并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，*表面質(zhì)量的大尺寸晶圓級散熱基底材料的獲得是一個關鍵。此外，隨著金剛石襯底上電路集成度的增加，對其表面質(zhì)量的要求也將逐漸提高，表面粗糙度將會向埃米級甚至更小的方向發(fā)展，表面翹曲達到 5 μm甚至更小。
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