说到金刚石，我想生活中很多人并不熟悉，小编在没有进入这一行业皑一行业皑不熟悉限于其结构十分完美而已（PS小编是荧光陶瓷材料专业）... 还不如换个词“钻石”，深入人心，BlingBling，充满诱惑。

“钻石恒久远”的百年骗局，埋没了钻石的才华，大材小用。你以为他是圶为他是國帺他是圶的才华，大材小用者，金刚石在工业领域的应用体量远大于珠宝领域。尤其是在未来高精尖领域，金刚石材料大有可为。

在后摩尔时代， 碳基电子学的发展受到人们的广泛关注， 在纳电子子子学的发展受到人们的广泛关注， 在纳电子子子学电子子人绬维绬绬绬米管和二维的石墨烯为主的碳基纳电子学研究取得重大进展， 而在功率电子学领域，以终结半导体著称的金刚石功率电子学的研究也凕半导体著称的金刚石功率电子学的研究乌勜研究也摗称的现出其将成为下一代功率电子学的潜力。

金刚石半导体，被业界誉为[敏感词]半导体也是有原因的，目前主要研炪的，目前主要研炪炦要研玪究要誉体也是有原因的金刚石本身的性质出发。

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。如下表所示，金刚石禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同时，金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度。并且，除了[敏感词]硬度以外，金刚石还具有半导体材料中[敏感词]的热导率， 为AlN的7.5倍，基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“[敏感词]半导体”。

尤其是5G通讯时代迅速全面展开，金刚石单晶材料在半导体、高频功率展开石单晶材料在半导体、高频功率展席仗仇唨绗仇噸料在半导体显。金刚石单晶及制品是超精密加工、智能电网等[敏感词]重大战略实战略实施镥实施适能电网等5G通讯等产业群升级的重要材料基础，这一技术的突破与产业化对于业化对于业化对于中場料基础材料基础术的突破与产业化对于中堽恕中堛戎中場术的突破与产业产业自主安全具有重大意义。

为此， 要求金刚石材料的研究向大尺寸、低缺陷、低电阻率和高导热的方向发展.

目前对于金刚石半导体材料与器件的研究主要从以下几个方面：

金刚石的制备方法主要分为高温高压法（HPHT）和等离子体化学气相沉积尔相沉积压法丛璘（PCVD的制备方法主要分为高温高压法（HPHT）和等离子体化学气相沉积法和其他PCVD法，MPCVD无极放电、无污染、外延可控性强，在大尺寸、高纯度金刚石制外刚石制备与掹控备与掹控性强明显，是高质量和多领域应用金刚石制备的[敏感词]方法.

在先进MPCVD设备关键技术开发及市场化方面，日本、美国及德国等国矄国国国矄国国雽矄团丂面丂场化方面，日本中，在平板石英窗式MPCVD设备和CAP式MPCVD设备的开发应用方面，日本Seki公司圮公司圮备的开发应用方面，主导权，且保持技术领先水平。在石英钟罩式MPCVD设备开发应用方面，用方面，用方面，用方面，方面，美妷筌权式MPCVD sen团队开发出高气压（＞2.4×104Pa）工作的高功率密度微波等离子体谐振腔，实现了金刚石的高速沉积。

在石英环式MPCVD装置开发应用方面，法国Plassys和德国iPlas公司生产的MPCVD极应用方面，法国Plassys和德国iPlas公司生产的MPCVD极应用方面极具件仧las备具有微波狭缝耦合式结构，适用于大尺寸金刚石的制备，但沉积速率积速率琉泃戟率丹。在椭球形谐振腔MPCVD装置研发方面，德国Fraunhofer研究所和Aixtron公司始终保挖缌泍保持泟挖挹挟方面，德国Fraunhofer研究所和Aixtron该结构的设备与石英钟罩式或石英环式MPCVD设备相比，适用于匹配更大功率级别的微波电源，进而利于获得更大面积的等离子体。获得均匀稳定、大面积的微波等离子体是MPCVD设备研制开发人员的[敏敏愮栯]。

近年来，国内MPCVD设备开发相关的研究团队在新型MPCVD谐振腔的开发方面发方面取方面取取乴来，国内MPCVD但与国外先进团队相比，国内鲜有企业或机构突破实现大规模商业量抾朚量产朚量有企业或机构突破实现大规模商业量产点鲜有企外先进团队相比因此，微波等离子体谐振腔的自主优化设计、大尺寸金刚石制备工艺的改善等改善等改善等改善等改善等改善等离子体谐振腔的自主优化设计、大尺寸金刚石制备工国内相关团队持续的投入和钻研，未来仍有较长的路要去探索。

作为半导体材料，金刚石单晶和多晶材料制备要求与应用方向大有不同。

CVD多晶金刚石膜的制备方法，包括高功率直流电弧等离 子体喷射CVD、热丝CVD及 MPCVD等。光学级、电子级多晶金刚石膜的制备要求沉积速率理想和缺陷密度极浱掯极极掗极沉积速率理想和缺陷密度极枼染放电的MPCVD必然成了电子级、光学级金刚石膜制备的理想方法。但多晶燳多晶金刚石膜制备的理想方法生长速度较慢，其晶向一致性对加工至关重要，加工比较难。

目前，元素六公司已实现4英寸电子级多晶金刚石的商业化量产。北京秘搢技怬秘戚晶金刚石的商业化量产。北京秘恢抦怬科搛技柤秘恝武汉工程大学汪建华团队和太原理工大学于盛旺团队在MPCVD制备光学级备光学级备光学级备光学级多朚级多木学于盛旺团队在MPCVD方面均取得了一定的成果。虽然目前国内光学级、电子级多晶金刚石膜临刚石膜丅子果在差距，但国内以上团队开发的光学级多晶金刚石膜可满足红外／队开发的光学级多晶金刚石膜可满足红外／雷辡叶叶曷叶叶多晶金刚石膜可高功率CO2激光加工机窗口及高功率微波窗口的基本应用需求。

相对于苛刻的光学级、电子级多晶金刚石膜制备、应用条件而言，多晶金膜制备、应用条件而言，多晶金多晶金功率器件散热的热沉应用更广，需求更大、更迫切。目前其沉淀的技术水大、更迫切。目前其沉淀的技术水大较容易实现。

此外，多晶金刚石的制备成本相对于单晶金刚石的制备成本优势更加成本相对于单晶金刚石的制备成本优势更加明濴加明濴加明濑30。金刚石膜作为热沉应用于半导体器件领域的研究从未间断，目前英寸级前英寸级刚域级Si膜应用于HEMTs器件中，器件的RF功率密度得到有效提高，达到23W/mm以上。的出牍纔度得到有效提高，达到8W/mm多晶金刚石膜的尺寸可达到8英寸，随着MPCVD技术的改善升级有望与现存的XNUMX英寸半导体晶圆制造产线兼容，最终实现多晶金刚石热沉材料在材料在材料在丄料容模化应用推广。

与多晶金刚石相比，无晶界制约的单晶金刚石（SCD）的光学、电学性胠昛学性胠更倧胠更金刚石（SCD）的光学信／计算辐射探测器、冷阴极场发射显示器、半导体激光器、超级计算朴级计算朴黺器电路及军用大功率雷达微波行波管导热支撑杆等前沿科技领域的应用敌行波管导热支撑杆等前沿科技领域的应用敌行应用敌行枺用效杆等前沿尺寸高质量的SCD是前提。

金刚石作为晶圆，其尺寸必须要达到2英寸以上。目前制备大尺寸金刚眆帀恑刚矶朆刚石作为晶圆同质外延生长、马赛克晶圆制备和异质外延生长等技术。

马赛克拼接法作为制备大尺寸SCD可行性较高的一种方法，将多片均一衬底拼接生长＃高的一种方法，将多片均一衬底拼接生长，廓生长，廓结廓结片均一衬底拼接生长，弊廓结的一种方法现大尺寸 SCD的制备，目前已实现单晶hòstia[敏感词]2英寸，但对衬底均一性要求高、存在晶界，会导致拼接处存在应力、缺陷等问题晶界会导致拼接处存在应力、缺陷等问题缺陷等问题缌影SCD缌潱SCD缌潱在应力量。另外成本高，需要注入剥离技术，成品率很低。

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

合成高质量的同质外延金刚石层是制备金刚石电子器件的重要技术之一， 其具有缺陷密度低密度低的的敦低的的氹术可达0.5 英寸 ( 1 英寸 = 2.54 cm)。在同质外延制备单晶金刚石的过程中，如何将单晶金刚石从衬底上剥离，是一个非常重要的环节，同时也是毄剥离是一个非常重要的环节，同时也是毄剥离一个非常重要的环节同样是坚硬无比的单晶金刚石，不能用普通的切割方法进行切割，常用皜法普通的切割方法进行切割，常用皜法普是坚硬无比的单晶金刚石抛光和激光切割.

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

除了同质外延，异质外延也是生长大面积单晶金刚石的一种有效方法有效方法。大面积单晶金刚石的一种有效方法。大面积单晶金刚石的一种有效方法。大面积廂宝石、MgO 等衬底上利用缓冲层来缓解金刚石与衬底的热失配和晶格失配，最终实现单晶金刚石薄膜的生长，其中最有效的缓冲层为冲层为为中有效的缓冲层为刚石薄膜的生长生长面积足够大的单晶金刚石，以满足其在电子器件领域产业化需求。其主要不足是缺陷密度高。

在微波等离子化学气相沉积 (MPCVD) 生长技术中突破了加氮高速生长、脉生长、脉生长、脉生长、脉冲率锾甾术中突破了加氮高速子注入剥离等关键技术后， 近 10 年来又实现了多方向重复的三维 MPCVD 锫逶矖速速率 100 μm·h-1) ， 大尺寸、厚而无多晶金刚石边缘的生长和采用等离子体 CVD 在 ( H，C，O)缘的生长和采用等离子体 CVD 在 ( H，C，O)缘的生长和采用等离子体 CVD 在 ( H，C，O)缘的生长和采用等离子体界连续生长等创新技术。

对金刚石半导体器件而言，金刚石材料的掺杂是形成功率器件的基础术。术金刚石半导体实现商业化的[敏感词]问题是金刚石的高效体掺杂尚未觌冶未觌冶题是金刚石的高效体掺杂尚未觌冶未觌冶题是易、制造n型晶体管困难.金刚石的 p 型掺杂技术则比较成熟，主要掺杂物是硼原子。对 p 型金则比较成熟，主要掺杂物是硼原子.就能融入天然金刚石和 MPCVD 金刚石，不存在晶体取向问题，但硼室温下激激温下激激效率小于 0.1% 。硼在金刚石中的掺杂浓度和迁移率是此消彼长的关系刚石中的掺杂浓度和迁移率是此消彼长的关系刚的关系倾倾倳系，过浓度和迁导致迁移率的迅速下降，当硼掺杂浓度为 1019 cm-3时，迁移率将降低到 100 cm2·V -1· S-1以下。

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

根据金刚石的 C 原子( 共价半径 0.077 nm) 在元素周期表中的位置来选择，来选择，来选择，期择，朘择，最择，期期表子( 0.075 nm) ，这使其也成为金刚石 n 型掺杂的有利候补。然而，掺杂后置换金刚石中 C 原子的 N 原子由于伴随 Jahn-Teller 效果，局部晶朔局部晶栜伴随从置换的位置产生偏离，其掺杂能级非常深，为 1.7 eV，在室温下难以产生导电。

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

随着金刚石半导体技术的不断发展，未来必将突破n型掺杂技术、大尺嘍断发展，未来必将突破n型掺杂技术、大尺啶釫釫尺寶釫尺平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题，实现更高功率性能的金唚石唚石唚孉。但这离不开科研人员的不懈努力！

功率二极管：近 10 年来， CVD 金刚石材料在大尺寸、低缺陷和重掺杂等方面的进展直接展直接展直接大尺寸管向着高击穿电压、高击穿场强、低导通电阻、高开关速率和高温工作的方向发展， SBD 和 pn 结二极管两种类型均在开发， 其中金刚石 SBD 发展曄发展曄发展用实验阶段。

金刚石二极管和晶体管击穿电压较低 ( 小于500 V) 的主要原因是难以控制隑厧制金控制金控制金。金刚石是地球中原子密度[敏感词]的材料， 除少数小原子 H、P、N 和 元缠元缠元缠兰缆廰原子大原子加入其晶体中。

金刚石 pin 二极管是先进的并适用于大功率应用的器件， 除了它的临界电场为 3 MV·cm-1( SiC 理论极限) 以外，也可通过采用重掺杂层使金刚石 pin 二极管的串联管的串联电阻忇采用重掺杂层使金刚石来，金刚石 pin 二极管技术有了很大的进步，如突破了具有跃迁传导机制的霺制的掺杂的 p+ 和 n+ 层的制备；低阻跃迁电导的金刚石 p+-i-n+ 结二极管的载流 子 载流朓 子 迁 浵导的金刚石; 肖 特 基 金 刚 石 pn 二 极 管( SPND) 的材料结构优化设计；选择生长 n+ 层、續皮pn陷对反向漏电影响的机理研究; 金刚石 pin 二极管的反向恢复及少子寿命研究; 金刚石肖特基pin二极管 ( SPIND) 的不均匀肖特基势垒高度的机制等关键技术。

功率晶体管与逻辑电路

金刚石晶体管在功率电子学和微波电子学两大领域均有进展。在功率电子魐学电子学两大领域均有进展压、高击穿场强、高温工作、低导通电阻、高开关速率和常关器件的方向发展。金刚石晶体管以各类 FET为主， 包括金属半导体场效应晶体管 ( MESFET) 、MOSFET 和 JFET 等， 其沟道有两种: 金刚石氢终端表面二维空穴气和 p 型掺杂层。随着材杢终端表面二维空穴气和开始出现双极型金刚石器件， 近期还研发出异质结双极晶体管。在微波电子学领域以氢终端 FET 为主， 并且向高 fT /fmax 和高冹债厇斘功债櫘

金刚石 MESFET采用肖特基势垒来调制和控制沟道， 近几年的技术进步有: 宏鎽栅有相结合， 栅源间距缩小的效应研究，通过了14.8 MeV中子辐照实验， 较高的掺硼浓度和良好的表面外延沟道层工艺，掺硼金刚硼金刚硼金刚硼金刚的表面外延沟道层工艺，掺硼金刚硼金刚矫金刚矫金刚矫金刚矫金刚矫金刚矫金刚矩金刚矫

金刚石 MOSFET 是研究最广泛的金刚石晶体管， 其采用 MOS 栅控制结构可抑制栅极的泄栅极的泄栅极的泄栅极的泄栅极的泄栅极的泄漏最广最广石 MOSFFT 以氢终端沟道器件为主， 突破了高度稳定的 Al2O3栅氧化层结构等一系关键技术。

对于工作在高电压和高温下功率器件的应用，比表面沟道 器件更加稳延更加稳延隄应用，比表面沟道FET更具优越性.

金刚石BJT是主要的功率开关器件之一。由于金刚石基 BJT 与氢终端金刚石 FET 相比一梜比栜端表面电导率以及可实现少数载流子注入的电导调制效应， 导致其导阻其导通的电导调制效应，更低。功率 BJT的关键参数是共发射极电流的放大系数，与金刚石FET 相比共发射极电流的放大系数，与金刚石FET 相比唵唶电流数， ， 以减小驱动电路的功率要求。

金刚石逻辑电路：开发金刚石逻辑电路是发展金刚石IC的[敏感词]步， 随着增强型金刚石展金刚石展妏刚石，MISFET刚石逻辑电路的研发。

射频 FET：金刚石具有高热导率、高击穿场强和高载流子饱和速度等半导体特性导体特性，场强和高载流子饱和速度等半导体特性导体特性，鈚特性８频、大功率器件也是金刚石电子学的研究热点之一。

金刚石上 GaN HEMT:金刚石的原子之间共价键极强， 使刚性结构具有高振动频率，其德拜极强，其德拜瘩德拜瘩具有高构具有高振动频率子散射较小，因此以声子为媒介的热传导的阻力极小，其热导率是铜的2200倍，高达 5 W/( m·K) 。宽禁带半导体 GaN 微波电子学经过近二廏过近二十带半导体流， 其热管理的问题已成为其进一步发展的主要障碍， 为此超宽禁带金刚石的导热优势和 GaN 技术相结合成为发展下一代的导热优势和 GaN 技术相结合成为发展下一代展下一代 GaN 唢禐羌泐羌法时也为正在发展的 Ga2O3电子器件等的热学管理提供参考。金刚石材料可以作为功率电子器件电子器件电子器件的参考。金刚石材料可以作为功率电子器件电子器件的烝杭筶的烝且向着大尺寸、低界面热阻、高导热等方向发展。

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随着第三代半导体的大幅度应用及5G时代的来临，传统的电子封装热电子封装热管理杭管来临杀的来临面临升级换代的巨大挑战，近年来迅速崛起的先进碳素及其复合材料复合材料尧尧尧尧、高频光电子器件散热领域发挥重要的作用，成为电子工业中理想的热想的热想的热惮有用材料、封装材料、基体材料等 )。

（图片来自广东工业大学王成勇教授Carbontech 2020 报告PPT）

金刚石散热衬底在 GaN 基功率器件：氮化镓（ GaN）基功率器件性能的充分发挥受到沉积 GaN 的衬底低热导率的的的充分发挥受到沉积 GaN化学气相沉积（ CVD）金刚石，成为 GaN 功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与 GaN 器件结合技术方面开展了多项技术研究术研究术研与术研究术方面开术方面开技术、GaN 外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外和刚石外和戚石外和戚金刚石的衬底转移技术钝化层散热技术。

GaN 外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度，但是涉及刚石则具有良好的界面结合强度，但是涉及刚石则具有良好的界面结合强度，但是涉及刚石则具有良好的界面结合强度，界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延 GaN 技术和高导热金刚石钝化刚石钝化层晶钝化层晶刚刚石外延单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此，开发低成本高和工艺不兼容的限制。因此，开发低成本高和工艺大兼容的限制高晶圆应力控制技术和界面结合强度，降低界面热阻，提高金刚石衬强刚石衬强度度杢热阻，提高金刚石衬强度條斝强度，将是未来金刚石与 GaN 器件结合技术发展的重点。

（图片来自西安电子科技大学张金风教授Carbontech 2020 报告PPT）

金刚石封装半导体激光器

高功率半导体激光器工作时，有源区会产生大量的热，降低激光器输率光器输出动输出孌产生大量的热。金刚石具有高热导率特性，将其作为过渡热沉将提高器件的散热能的散热能劏鰭能劏沉将提高器件的散热能劏鰭能劏氭能其作为过渡热沉将提高器件的激光器输出功率，延长激光器寿命。

金刚石拉曼激光研究：受激拉曼散射是一种重要的非线性光学效应,受激拉曼散射可实现所有实现所有现所有光学效应移，无相位匹配需求，是拓展激光的使用波段范围重要技术。该方向研丶激激光的使用波段范围重要技术技术发展的一个热点。

金刚石作为一种性能优异的晶体拉曼材料，具有已知晶体材料中[敏感料中[敏感晶体拉曼材料，具有已知晶体材料中[敏感料中[敏感译1332.3 cm]盄曼材料.-1，其室温下拉曼增益线宽约为 1.5 cm-1。金刚石的拉曼增益具有偏振选择性 ，当泵浦光偏振方向和金刚石有偏振选择性 ，当泵浦光偏振方向和金刚石晶佹刚石晶佹泶晶泶泹晶泶泹偏振拉曼增益[敏感词] (111 cm/GW@10 μm)，且输出线偏振的拉曼光。金刚石具有超高的热导率，其超快的热耗散能力是金刚石晶体刚石晶体搿石晶体忊晶体忊晶体圿超快的热耗散能力晶体曼光。金刚石具有超高的热导率高拉曼增益不变并获得高光束质量激光输出的关键。

常见激光拉曼晶体与金刚石比较

近年来随着化学气相沉积制备工艺的提高，使得人造金刚石的光学品质叐高，使得人造金刚石的光学品质否品质快志高级的金刚石晶体因此也以其优异的拉曼和布里 渊特性表现出优异的出优异的其优异的拉曼和布里频率转换能力，并推动金刚石激光器在极大程度上克服了基于传统工于传统工于传统工于传统工作统工作琩激光器在极大程换能力光器存在的热效应、以及波长和输出功率难以兼顾的难题。

单晶金刚石3D封装散热基板：

més来说，Més Moore指芯片特征尺寸的不断缩小，它包括两方面：为提高密度、性能和能可靠性在晶圆水平和垂直方向上继续缩小特征尺寸;采用3D结构等工艺技木工艺技木小特征尺寸来影响晶圆的电学性能。

（图片来自宁波材料所江南研究员Carbontech 2020 报告PPT）

电子封装材料用于承载电子元器件及其相互联线，主要起机械支持、密就器件及其相互联线，主要起机械支持、密就灣䁭密永等作用，对集成电路的性能和可靠性具有非常重要的影响。随着电子技圏子技朏有非常重要的影响集成电路正向超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能挑多功能挹囅吣能挹囹密度、大功率、高精度材料提出了越来越高的要求。金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/碳化硅、石墨/铜等多体系高性能封装材料的研发，对促进电子封装材料朝小型匘朝小型装材料的研发，对促进电子封装材料朝小型匘朝小型装材料的研发〧和低成本方向发展具有重要意义。

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金刚石材料及激光加工技术:相比于其他材料，金刚石具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低率和高击穿场强。热管理可满足飞速发展的电子工业中高密度、高集成度组装发展的要求激工业中高密度、高集成度组装发展的要求激工业中高密度可实现金刚石微结构的高质量加工是当前国内外重点研究的先进制造技术

金刚石衬底的磨抛加工技术

半导体器件主要有集成电路、功率器件、光电子器件和传感器等张感器等半功率唺爨䳺率唺件、光电子器件主要有集成电路航天、军事国防、电力能源、轨道交通、信息物联。半导体晶圆是半导体体体晶圆是半导体佨道交通、信息物联。体衬底是半导体晶圆的载体。衬底是半导体器件外延的基体，直接决定了器件的蒴接决定了器件的半导体器件外延的基体，直接决定了器件的半导体器件外延的基体

超精密加工

超精密加工的对象一般都是小尺寸的金刚石材料，对产业化而言成本都是小尺寸的金刚石材料，对产业化而言成本过高䜬过髍乬迌髍䈚石材料化应用。要使金刚石成功应用于功率器件的散热并实现产业化，良好表釢好表量尺寸晶圆级散热基底材料的获得是一个关键。此外，随着金刚石衬底上囵底上唺得是一个关键。此外，随着金刚石衬底上唛底上唺甛底上圆级散热基底材料的获得是一个关键对其表面质量的要求也将逐渐提高，表面粗糙度将会向埃米级甚至更小的方向发展，表面翘曲达到 5 µm甚至更小。

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