我國科學(xué)家實現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底量產(chǎn)。

據(jù)西安交大官網(wǎng)，近日，西安交大王宏興研究團(tuán)隊采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，成功實現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

金剛石半導(dǎo)體的優(yōu)越性

金剛石是一種超寬間隙半導(dǎo)體，具有最高的導(dǎo)熱性，這是一種材料傳遞熱量的能力。由于這些特性，與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，金剛石半導(dǎo)體器件可以在更高的電壓和電流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散熱而不會降低電氣性能?！耙幸粋€需要大電流和高電壓的電網(wǎng)，這使得太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)等應(yīng)用更加高效，那么我們需要一種沒有熱限制的技術(shù)。這就是鉆石的用武之地，“Bayram 說。

盡管許多人將鉆石與昂貴的珠寶聯(lián)系在一起，但鉆石可以在實驗室中以更實惠和可持續(xù)的方式制造，使其成為一種可行且重要的半導(dǎo)體替代品。天然鉆石是在巨大的壓力和熱量下在地球表面深處形成的，但由于它本質(zhì)上只是碳（其中有大量的碳），人工合成的鉆石可以在數(shù)周而不是數(shù)十億年內(nèi)制造出來，同時產(chǎn)生的碳排放量也減少了 100 倍。


大尺寸襯底

是金剛石半導(dǎo)體商業(yè)化難點(diǎn)之一

金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有一系列優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數(shù)等，這使其在高新科技尖端領(lǐng)域中，特別是電子技術(shù)中得到廣泛關(guān)注，被公認(rèn)為是最具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

金剛石半導(dǎo)體雖然有優(yōu)點(diǎn)諸多，但由于其極高的硬度，在制造時難度非常大。金剛石半導(dǎo)體廣泛商用目前存在幾大難題，其中之一便是“缺乏大尺寸金剛石襯底，阻礙了大尺寸金剛石的生長”。通過將小尺寸襯底拼接，雖然可以制備出大尺寸單晶，但在拼接處存在缺陷，影響金剛石膜的質(zhì)量。擴(kuò)大CVD金剛石襯底的晶體尺寸以及實現(xiàn)單晶金剛石的高速生長是制備高質(zhì)量大尺寸半導(dǎo)體金剛石材料的前提條件。

從2008年開始，歐盟投入資金推動化學(xué)氣相沉積方法（CVD）在氮化鎵（GaN）器件背面生長金剛石。隨后美國國防部高級研究計劃局、海軍研究辦公室等投入大量資金，但由于價格高昂，使得金剛石襯底的氮化鎵器件的應(yīng)用被限制在國防和航天等領(lǐng)域。

正如西安交大介紹，金剛石電子器件的發(fā)展受限于大尺寸、高質(zhì)量的單晶襯底，硅、藍(lán)寶石等襯底的商業(yè)化，為異質(zhì)外延單晶金剛石提供了前提條件。

據(jù)介紹，西安交大王宏興團(tuán)隊經(jīng)過長期科研攻關(guān)，獨(dú)立自主開發(fā)了系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單晶金剛石微波等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備，掌握了有關(guān)技術(shù)，并已全面完成了原理性創(chuàng)新、實驗室試驗研究和中試實驗，可批量化提供1——2英寸的大面積高質(zhì)量單晶金剛石襯底。


中國具有發(fā)展金剛石芯片得天獨(dú)特的優(yōu)勢

金剛石材料屬第四代半導(dǎo)體，它的帶隙為5.5eV，電子遷移率高達(dá)4500 cm2/V·s，有成為高檔半導(dǎo)體材料的潛質(zhì)。

但是，純凈的金剛石屬絕緣體，無法作為半導(dǎo)體材料，通過向金剛石結(jié)構(gòu)中摻入氮、硼等元素，可轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體，才能用作芯片。

日本佐賀大學(xué)的研究表明，與現(xiàn)在主流的硅基半導(dǎo)體相比，金剛石半導(dǎo)體可在5倍的高溫和33倍的高電壓下工作，可在福島核電站核廢料處理等極端惡劣環(huán)境下工作，而普通硅基芯片機(jī)器人即使外加保護(hù)層，也會短時間報廢。

2023年，中國和美國在研發(fā)金剛石半導(dǎo)體材料上幾乎同時取得重大突破。

2023年10月27日，華為和哈工大聯(lián)合申請公布了“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利。也就是說，華為掌握了通過摻雜讓金剛石從絕緣體變成半導(dǎo)體的專利技術(shù)。

2023年10月，美國一家叫鉆石工廠（Diamond Foundry）的公司成功制造出了世界上第一塊單晶鉆石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。

中國發(fā)展金剛石芯片更大的優(yōu)勢在于大規(guī)模量產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。目前，中國人造鉆石產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的90%，其中珠寶級的人造鉆石占全球總產(chǎn)量的50%。在中國的產(chǎn)能當(dāng)中，又有80%位于河南。光是河南商丘，一年的人造鉆石產(chǎn)量就高達(dá)400萬克拉，接近全球總產(chǎn)量的一半。大家驚呼，實現(xiàn)“鉆石自由”，就靠我大河南了。

目前，碳化硅價格是硅30——40倍，氮化鎵價格是硅的650——1300倍，而能造芯片的金剛石材料價格幾乎是硅的10000倍。由于金剛石價格很貴，制造出來的芯片也用不起。

值得驕傲的是中國制造高純度、大顆粒技術(shù)又有重大突破。中國礦業(yè)大學(xué)超硬刀具研究所所長鄧福銘團(tuán)隊，2023年探索出了一條高溫高壓制造金剛石的新方法，用鐵鈷合金催化劑，在5.5萬個大氣壓和1320度的高溫下，順利地合成了直徑達(dá)到8毫米的大鉆石，重量高達(dá)3到4克拉，而且沒有任何的雜色。這種方法可以大規(guī)模、低成本量產(chǎn)，還直接導(dǎo)致2023年寶石級鉆石價格迎來史上最大跌幅，全年普遍下跌30-40%，這也為下一步制造金剛石芯片創(chuàng)造了降低成本的條件。當(dāng)然，目前金剛石的成本還需進(jìn)一步降低。

中國有制造金剛石芯片的專利技術(shù)，又有低成本大規(guī)模量產(chǎn)金剛石的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，中國發(fā)展金剛石芯片潛力巨大。

金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎接挑戰(zhàn)

中國人造金剛石行業(yè)已形成相對完整的產(chǎn)業(yè)體系。截至目前，我國金剛石單晶的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，我國人造金剛石行業(yè)為國家乃至全球諸多高新技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了強(qiáng)力支撐。

除了產(chǎn)量規(guī)模領(lǐng)先外，中國金剛石研發(fā)技術(shù)先進(jìn)性也在持續(xù)提升。

“從金剛石研發(fā)技術(shù)來看，我國自主研發(fā)了納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石材料，并通過硼、氧共摻雜研制出壓縮玻璃碳以及有史以來最硬、最強(qiáng)的sp2-sp3非晶碳，為機(jī)械加工和制造業(yè)的發(fā)展提供了關(guān)鍵工具材料?！敝袊こ淘涸菏?、國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任干勇說。

因具備高硬度、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性等特性，金剛石被廣泛應(yīng)用于超精密加工、光學(xué)、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。特別在半導(dǎo)體方面，業(yè)內(nèi)已開發(fā)出用金剛石制成的功率半導(dǎo)體，輸出功率值在所有半導(dǎo)體材料中僅次于氮化鎵產(chǎn)品，被稱為“終極功率半導(dǎo)體”。

干勇稱，半導(dǎo)體是金剛石未來重要發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域。金剛石被認(rèn)為是第四代半導(dǎo)體技術(shù)關(guān)鍵材料，應(yīng)用于更高電壓、高頻率的場景，也是未來中國在半導(dǎo)體領(lǐng)域彎道超車的希望所在。隨著5G時代的到來，金剛石單晶在半導(dǎo)體、高頻功率器件中的需求將快速增長。

目前，我國金剛石半導(dǎo)體器件研究處于起步階段，需要從理論、材料、工藝等方面進(jìn)行研究突破。

對此，干勇提出，要以金剛石特有的半導(dǎo)體物理特性及機(jī)理，高質(zhì)量、大尺寸、單晶金剛石制備技術(shù)，摻雜技術(shù)等為研究重點(diǎn)，實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在高摻雜跳躍電導(dǎo)、高溫高壓生長法、低溫鍵合技術(shù)等技術(shù)突破。