金刚石晶体生长技术给半导体行业带来曙光

       金刚石具有高热导率  、高电子迁移率以及高硬度 ， 不仅在机械切割、散热元件、耐磨零件等民用方面有着广阔的应用前景， 在国民经济中具有重要的战略地位， 如芯片、微电子、量子、光学、超精密加工、高端医疗等众多高新技术领域。

       目前，金刚石主要依托硬度及耐磨性，作为高端刀具与磨料应用于超精密加工领域，同时消费级培育钻石需求逐步崛起；另外，金刚石由于其优异的声光化电热性能，大面积钻石片状材料的下游应用还包括：

①现代红外光学窗口材料（大功率激光器件的输能窗口），可应用于雷达、航空航天、5G相关设备；

②导热材料（高功率半导体二极管激光器或二极管激光器阵列的热沉），主要用于光通讯、军事及激光加工、半导体芯片的金刚石封装等民用领域；

③半导体基板，单晶金刚石是目前已知最优秀的宽禁带高温半导体材料，碳基半导体有望引领下一代半导体产业革命。

       金刚石半导体，被业界公认为下一代功率电子器件和光电子器件最有潜力的材料之一。尤其是近年来，随着金刚石生长技术的不断突破，让业界又看到金刚石材料在半导体领域应用的曙光。

       相比于传统的Si基器件，金刚石器件具有高载流子迁移率、高热导率、低热膨胀系数、高临界电场等众多优势，可用于火车、船舶、可再生能源系统和电力干线系统的大功率发电机及逆变器等高压领域。发展金刚石功率器件满足碳达峰与碳中和等重大社会需求，已被国家列入“战略性先进电子材料”重点专项，同时也是各国争抢领地之一。

       从功率器件的量产角度来看，半导体材料需要达到高纯度、低缺陷密度、高载流子浓度与迁移率以及英寸级晶圆面积等要求。然而，浓度精确可控的掺杂技术和高品质大面积单晶衬底的制备技术仍是金刚石材料与器件商业应用面临的挑战。因此，制备英寸级的单晶金刚石（SCD）已经成为近几十年甚至是未来几十年一个亟待解决的任务。

       目前在大尺寸金刚石单晶制备技术研究领域处于先进水平的国外生产厂家主要有美国的通用电气公司（GE）、英国的元素六公司（Element Six）、日本的住友株式会社、日本产业技术综合研究所（AIST）、俄罗斯国家科学院基础物理研究所、乌克兰国家科学院超硬材料研究所、俄罗斯New Diamond Technology公司等。

       各家公司分别使用HPHT法和MPCVD法对金刚石大颗粒单晶尺寸进行了攻关和研发。目前HPHT金刚石在光学与珠宝领域的应用已经形成产业化，主要产地为中国。但是从事金刚石大尺寸生长和半导体电学方面的研究的科研院所也均集中在MPCVD设备和技术领先的国家和地区，比如：美国、日本、俄罗斯、欧盟国家等。

       CVD金刚石单晶生长方面，近年来，MPCVD法以其设备具有较高能量密度、稳定的工艺控制、大尺寸生长腔室等突出的优点逐渐被各界关注，并成为目前最适合生长大面积单晶金刚石的方法之一。对于MPCVD生长大面积金刚石单晶，大量研究集中在了对于金刚石衬底片、反应腔内衬底托盘、工艺气体组分和反应工艺参数控制等。目前制备大尺寸金刚石及晶圆的技术主要有马赛克拼接、同质外延生长、异质外延生长、三维生长等技术。

      如今，已经有越来越多的单位正在将金刚石半导体从研发阶段推向实用化。例如美国Akhan公司于2021年制造世界第一个300mm金刚石晶圆；2022年，日本公司Adamant Namiki已成功开发超高纯2英寸金刚石晶圆量产方法，计划于2023年商业生产。2022年8月，诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，即日本早稻田大学下属的Power Diamond Systems（简称为：“PDS”）。该公司的目标是把金刚石半导体行业的先驱一一川原田洋教授的研发成果推向实用化。

       近年来，随着后摩尔时代的来临，人们在新材料领域的研发投入不断增长，也加速了金刚石等超宽禁带半导体材料的开发。对金刚石半导体器件而言，除了金刚石材料的高效率高品质大面积生长以外，掺杂是形成功率器件的基础技术，一直也是研究的热点难点。

        如何加速金刚石高端应用产业化进程？如何落实金刚石半导体应用潜力，如何克服金刚石晶体生长技术难题？如何解决高端装备“卡脖子”问题？科研院所与企业界如何迈出产学研合作关键的一步？……这些问题也是需要业界携手解决，共同助力金刚石在高端领域的应用落实化。

转载自DT半导体