我国科学家实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底量产。

据西安交大官网，近日，西安交大王宏兴研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化，达到世界领先水平。

金刚石半导体的优越性

金刚石是一种超宽间隙半导体，具有最高的导热性，这是一种材料传递热量的能力。由于这些特性，与硅等传统半导体材料相比，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散热而不会降低电气性能。“要有一个需要大电流和高电压的电网，这使得太阳能电池板和风力涡轮机等应用更加高效，那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地，“Bayram 说。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起，但钻石可以在实验室中以更实惠和可持续的方式制造，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。天然钻石是在巨大的压力和热量下在地球表面深处形成的，但由于它本质上只是碳（其中有大量的碳），人工合成的钻石可以在数周而不是数十亿年内制造出来，同时产生的碳排放量也减少了 100 倍。


大尺寸衬底

是金刚石半导体商业化难点之一

金刚石作为超宽禁带半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有一系列优异的物理和化学性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子饱和速率和低介电常数等，这使其在高新科技尖端领域中，特别是电子技术中得到广泛关注，被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

金刚石半导体虽然有优点诸多，但由于其极高的硬度，在制造时难度非常大。金刚石半导体广泛商用目前存在几大难题，其中之一便是“缺乏大尺寸金刚石衬底，阻碍了大尺寸金刚石的生长”。通过将小尺寸衬底拼接，虽然可以制备出大尺寸单晶，但在拼接处存在缺陷，影响金刚石膜的质量。扩大CVD金刚石衬底的晶体尺寸以及实现单晶金刚石的高速生长是制备高质量大尺寸半导体金刚石材料的前提条件。

从2008年开始，欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在氮化镓（GaN）器件背面生长金刚石。随后美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室等投入大量资金，但由于价格高昂，使得金刚石衬底的氮化镓器件的应用被限制在国防和航天等领域。

正如西安交大介绍，金刚石电子器件的发展受限于大尺寸、高质量的单晶衬底，硅、蓝宝石等衬底的商业化，为异质外延单晶金刚石提供了前提条件。

据介绍，西安交大王宏兴团队经过长期科研攻关，独立自主开发了系列具有自主知识产权的单晶金刚石微波等离子体化学气相沉积设备，掌握了有关技术，并已全面完成了原理性创新、实验室试验研究和中试实验，可批量化提供1——2英寸的大面积高质量单晶金刚石衬底。


中国具有发展金刚石芯片得天独特的优势

金刚石材料属第四代半导体，它的带隙为5.5eV，电子迁移率高达4500 cm2/V·s，有成为高档半导体材料的潜质。

但是，纯净的金刚石属绝缘体，无法作为半导体材料，通过向金刚石结构中掺入氮、硼等元素，可转化为半导体，才能用作芯片。

日本佐贺大学的研究表明，与现在主流的硅基半导体相比，金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作，可在福岛核电站核废料处理等极端恶劣环境下工作，而普通硅基芯片机器人即使外加保护层，也会短时间报废。

2023年，中国和美国在研发金刚石半导体材料上几乎同时取得重大突破。

2023年10月27日，华为和哈工大联合申请公布了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利。也就是说，华为掌握了通过掺杂让金刚石从绝缘体变成半导体的专利技术。

2023年10月，美国一家叫钻石工厂（Diamond Foundry）的公司成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。

中国发展金刚石芯片更大的优势在于大规模量产产业链。目前，中国人造钻石产量占全球总产量的90%，其中珠宝级的人造钻石占全球总产量的50%。在中国的产能当中，又有80%位于河南。光是河南商丘，一年的人造钻石产量就高达400万克拉，接近全球总产量的一半。大家惊呼，实现“钻石自由”，就靠我大河南了。

目前，碳化硅价格是硅30——40倍，氮化镓价格是硅的650——1300倍，而能造芯片的金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。由于金刚石价格很贵，制造出来的芯片也用不起。

值得骄傲的是中国制造高纯度、大颗粒技术又有重大突破。中国矿业大学超硬刀具研究所所长邓福铭团队，2023年探索出了一条高温高压制造金刚石的新方法，用铁钴合金催化剂，在5.5万个大气压和1320度的高温下，顺利地合成了直径达到8毫米的大钻石，重量高达3到4克拉，而且没有任何的杂色。这种方法可以大规模、低成本量产，还直接导致2023年宝石级钻石价格迎来史上最大跌幅，全年普遍下跌30-40%，这也为下一步制造金刚石芯片创造了降低成本的条件。当然，目前金刚石的成本还需进一步降低。

中国有制造金刚石芯片的专利技术，又有低成本大规模量产金刚石的技术和产业链优势，中国发展金刚石芯片潜力巨大。

金刚石半导体产业迎接挑战

中国人造金刚石行业已形成相对完整的产业体系。截至目前，我国金刚石单晶的生产技术和产品品质已达到世界先进水平，我国人造金刚石行业为国家乃至全球诸多高新技术的创新发展提供了强力支撑。

除了产量规模领先外，中国金刚石研发技术先进性也在持续提升。

“从金刚石研发技术来看，我国自主研发了纳米孪晶结构金刚石材料，并通过硼、氧共掺杂研制出压缩玻璃碳以及有史以来最硬、最强的sp2-sp3非晶碳，为机械加工和制造业的发展提供了关键工具材料。”中国工程院院士、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇说。

因具备高硬度、高热导率、高化学稳定性等特性，金刚石被广泛应用于超精密加工、光学、半导体等领域。特别在半导体方面，业内已开发出用金刚石制成的功率半导体，输出功率值在所有半导体材料中仅次于氮化镓产品，被称为“终极功率半导体”。

干勇称，半导体是金刚石未来重要发展应用领域。金刚石被认为是第四代半导体技术关键材料，应用于更高电压、高频率的场景，也是未来中国在半导体领域弯道超车的希望所在。随着5G时代的到来，金刚石单晶在半导体、高频功率器件中的需求将快速增长。

目前，我国金刚石半导体器件研究处于起步阶段，需要从理论、材料、工艺等方面进行研究突破。

对此，干勇提出，要以金刚石特有的半导体物理特性及机理，高质量、大尺寸、单晶金刚石制备技术，掺杂技术等为研究重点，实现金刚石半导体在高掺杂跳跃电导、高温高压生长法、低温键合技术等技术突破。