金剛石離半導體材料又近一步，我國再現產業優勢

我國科學家實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底量產。

據西安交大官網，近日，西安交大王宏興研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化，達到世界領先水平。

金剛石半導體的優越性

金剛石是一種超寬間隙半導體，具有最高的導熱性，這是一種材料傳遞熱量的能力。由于這些特性，與硅等傳統半導體材料相比，金剛石半導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。“要有一個需要大電流和高電壓的電網，這使得太陽能電池板和風力渦輪機等應用更加高效，那么我們需要一種沒有熱限制的技術。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系在一起，但鉆石可以在實驗室中以更實惠和可持續的方式制造，使其成為一種可行且重要的半導體替代品。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，但由于它本質上只是碳（其中有大量的碳），人工合成的鉆石可以在數周而不是數十億年內制造出來，同時產生的碳排放量也減少了 100 倍。


大尺寸襯底

是金剛石半導體商業化難點之一

金剛石作為超寬禁帶半導體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有一系列優異的物理和化學性質，如高載流子遷移率、高熱導率、高擊穿電場、高載流子飽和速率和低介電常數等，這使其在高新科技尖端領域中，特別是電子技術中得到廣泛關注，被公認為是最具前景的新型半導體材料，被業界譽為“終極半導體材料”。

金剛石半導體雖然有優點諸多，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，影響金剛石膜的質量。擴大CVD金剛石襯底的晶體尺寸以及實現單晶金剛石的高速生長是制備高質量大尺寸半導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用被限制在國防和航天等領域。

正如西安交大介紹，金剛石電子器件的發展受限于大尺寸、高質量的單晶襯底，硅、藍寶石等襯底的商業化，為異質外延單晶金剛石提供了前提條件。

據介紹，西安交大王宏興團隊經過長期科研攻關，獨立自主開發了系列具有自主知識產權的單晶金剛石微波等離子體化學氣相沉積設備，掌握了有關技術，并已全面完成了原理性創新、實驗室試驗研究和中試實驗，可批量化提供1——2英寸的大面積高質量單晶金剛石襯底。


中國具有發展金剛石芯片得天獨特的優勢

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

但是，純凈的金剛石屬絕緣體，無法作為半導體材料，通過向金剛石結構中摻入氮、硼等元素，可轉化為半導體，才能用作芯片。

日本佐賀大學的研究表明，與現在主流的硅基半導體相比，金剛石半導體可在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境下工作，而普通硅基芯片機器人即使外加保護層，也會短時間報廢。

2023年，中國和美國在研發金剛石半導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體的專利技術。

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。

中國發展金剛石芯片更大的優勢在于大規模量產產業鏈。目前，中國人造鉆石產量占全球總產量的90%，其中珠寶級的人造鉆石占全球總產量的50%。在中國的產能當中，又有80%位于河南。光是河南商丘，一年的人造鉆石產量就高達400萬克拉，接近全球總產量的一半。大家驚呼，實現“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、大顆粒技術又有重大突破。中國礦業大學超硬刀具研究所所長鄧福銘團隊，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到8毫米的大鉆石，重量高達3到4克拉，而且沒有任何的雜色。這種方法可以大規模、低成本量產，還直接導致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造了降低成本的條件。當然，目前金剛石的成本還需進一步降低。

中國有制造金剛石芯片的專利技術，又有低成本大規模量產金剛石的技術和產業鏈優勢，中國發展金剛石芯片潛力巨大。

金剛石半導體產業迎接挑戰

中國人造金剛石行業已形成相對完整的產業體系。截至目前，我國金剛石單晶的生產技術和產品品質已達到世界先進水平，我國人造金剛石行業為國家乃至全球諸多高新技術的創新發展提供了強力支撐。

除了產量規模領先外，中國金剛石研發技術先進性也在持續提升。

“從金剛石研發技術來看，我國自主研發了納米孿晶結構金剛石材料，并通過硼、氧共摻雜研制出壓縮玻璃碳以及有史以來最硬、最強的sp2-sp3非晶碳，為機械加工和制造業的發展提供了關鍵工具材料。”中國工程院院士、國家新材料產業發展專家咨詢委員會主任干勇說。

因具備高硬度、高熱導率、高化學穩定性等特性，金剛石被廣泛應用于超精密加工、光學、半導體等領域。特別在半導體方面，業內已開發出用金剛石制成的功率半導體，輸出功率值在所有半導體材料中僅次于氮化鎵產品，被稱為“終極功率半導體”。

干勇稱，半導體是金剛石未來重要發展應用領域。金剛石被認為是第四代半導體技術關鍵材料，應用于更高電壓、高頻率的場景，也是未來中國在半導體領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，我國金剛石半導體器件研究處于起步階段，需要從理論、材料、工藝等方面進行研究突破。

對此，干勇提出，要以金剛石特有的半導體物理特性及機理，高質量、大尺寸、單晶金剛石制備技術，摻雜技術等為研究重點，實現金剛石半導體在高摻雜跳躍電導、高溫高壓生長法、低溫鍵合技術等技術突破。