半導(dǎo)體領(lǐng)域的璀璨新星——金剛石

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新不斷推動(dòng)著電子設(shè)備的進(jìn)步。而在這個(gè)充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇的領(lǐng)域中，金剛石正以其獨(dú)特的性能，逐漸成為一顆耀眼的新星。

金剛石不僅擁有自然界中最高的熱導(dǎo)率，還是一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、載流子遷移率高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。這些特性使得金剛石在熱管理、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

2023年，華為提交了一項(xiàng)名為“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”的專利申請(qǐng)，預(yù)示著功能性金剛石的應(yīng)用正在逐步突破。通過混合鍵合方法，將硅與金剛石進(jìn)行三維集成，能夠?qū)崿F(xiàn)電子芯片的高效散熱，從而提高芯片的性能和穩(wěn)定性。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信，金剛石將在未來的科技領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的科技時(shí)代。金剛石半導(dǎo)體材料的研究已成為世界科技先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相探索的優(yōu)先方向，預(yù)示著金剛石將在半導(dǎo)體領(lǐng)域開啟新的篇章。

? ?金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域逐漸嶄露頭角

1、高功率電子器件

由于金剛石的高熱導(dǎo)率和寬禁帶特性，它非常適合用于制造高功率電子器件，如功率放大器、射頻器件等。這些器件在通信、雷達(dá)、衛(wèi)星等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。金剛石的加入可以顯著提高器件的功率密度和效率，降低散熱成本，延長(zhǎng)器件的使用壽命。

2、高溫電子器件
在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中，如航空航天、石油化工等領(lǐng)域，需要電子器件能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。金剛石的寬禁帶特性使其能夠在高溫下保持良好的性能，成為制造高溫電子器件的理想材料。

3、量子計(jì)算
金剛石中的氮空位中心（NV center）具有獨(dú)特的量子特性，使其在量子計(jì)算領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。研究人員正在探索利用金剛石中的 NV center 實(shí)現(xiàn)量子比特的存儲(chǔ)和操作，為未來的量子計(jì)算技術(shù)提供新的解決方案。

4、光學(xué)器件
金剛石不僅在電學(xué)性能上表現(xiàn)出色，在光學(xué)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。金剛石具有高透明度、高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于制造高性能的光學(xué)窗口、透鏡和棱鏡等器件。此外，金剛石還可以作為激光增益介質(zhì)，用于制造高功率激光器。

? ?金剛石在熱管理方面具體是如何應(yīng)用于電子芯片的？

金剛石在電子芯片的熱管理中的應(yīng)用主要是利用其極高的熱導(dǎo)率，這一特性使得金剛石能夠有效地從芯片上傳導(dǎo)熱量，從而降低芯片的工作溫度，提高其性能和可靠性。金剛石的熱導(dǎo)率可以達(dá)到1000-2200 W/(mK)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅和金屬散熱材料。

在實(shí)際應(yīng)用中，金剛石可以被加工成薄膜或襯底，直接集成到電子芯片的封裝中。例如，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)與華為合作，開發(fā)了基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面。這種集成技術(shù)顯著降低了芯片的最高結(jié)溫和封裝熱阻，顯示出金剛石在芯片散熱方面的巨大潛力。

此外，納米金剛石材料也被研究用于電子器件的散熱，它們可以作為高熱流密度器件的鈍化層，在器件表面進(jìn)行均熱，增加導(dǎo)熱通路，提升器件表面的均溫性能。

金剛石在熱管理方面的應(yīng)用對(duì)于高性能計(jì)算、電力電子、無線通信等領(lǐng)域的電子芯片尤為重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用中的芯片往往會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要高效的散熱解決方案以保持芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著金剛石合成技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，預(yù)計(jì)金剛石將在半導(dǎo)體散熱片領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

? ?目前金剛石半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵成果研究

金剛石半導(dǎo)體材料因其卓越的熱導(dǎo)率、寬禁帶和高載流子遷移率等特性，被認(rèn)為是未來高性能電子器件的理想材料。2024的研究進(jìn)展包括：大尺寸金剛石襯底領(lǐng)域：西安交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了2英寸金剛石自支撐襯底的量產(chǎn)，這一成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并在指標(biāo)上優(yōu)于國(guó)外水平。這些單晶金剛石材料已廣泛應(yīng)用于5G通信領(lǐng)域，為高頻、大功率探測(cè)企業(yè)提供了核心材料與技術(shù)支撐。

寧波晶鉆科技股份有限公司，CVD大單晶金剛石如期上線，尺寸突破3.35英寸，并正在向4英寸以上單晶金剛石制備發(fā)起沖刺。這一成果標(biāo)志著該公司在金剛石領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。CVD大單晶金剛石的成功生產(chǎn)，展示了寧波晶鉆科技在先進(jìn)材料研發(fā)和制造方面的實(shí)力。這些高質(zhì)量的金剛石具有廣泛的應(yīng)用前景，可在機(jī)械加工、光學(xué)、電子等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的材料支撐，同時(shí)也為我國(guó)金剛石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所金鵬團(tuán)隊(duì)在金剛石生長(zhǎng)中取得重要進(jìn)展，采用激光切割圖案化工藝緩解金剛石層異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中的巨大應(yīng)力，在Ir/YSZ/Si復(fù)合襯底上實(shí)現(xiàn)了2英寸異質(zhì)外延自支撐金剛石單晶的制備。結(jié)果表明激光圖案化方法可以在大尺寸金剛石生長(zhǎng)過程中有效釋放應(yīng)力，為傳統(tǒng)光刻圖案化方案提供了一種更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)的替代方案。高性能電子器件領(lǐng)域：2024 年1月25日，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所（NIMS）宣布開發(fā)出世界第一款 “n型金剛石MOSFET”。這一重大成果為半導(dǎo)體領(lǐng)域帶來了新的突破。n型金剛石MOSFET的成功研發(fā)，有望在高性能電子器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，憑借金剛石的卓越特性，如高硬度、高熱導(dǎo)率和高載流子遷移率等，該器件可能在功率電子、高頻電子以及惡劣環(huán)境下的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，為未來電子技術(shù)的發(fā)展開辟新的道路。

這些進(jìn)展表明金剛石半導(dǎo)體材料的研究正逐步邁向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，未來有望在高性能電子器件中發(fā)揮重要作用。