终极半导体材料——金刚石新突破，登上顶级期刊，助力科技高质量发展

发布时间：2024-12-27 15:05:10 | 浏览量： 22次

近日，香港大学褚智勤教授、Yuan Lin教授、北京大学东莞光电研究所Qi Wang教授和南方科技大学李携曦教授在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得重要进展，成功开发出能够批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。

这一发现标志着在金刚石薄膜技术领域的一大飞跃，为未来金刚石薄膜在电子、光学等多个领域的应用提供了新的可能性。研究成果以“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”为题发表于《Nature》。



目前，超薄金刚石主要通过切片大块金刚石或在异质基底上通过CVD（化学气相沉积）生长获得。但CVD法无法获得与硅基半导体技术完全兼容的大面积、分层形式的金刚石膜，切片法可以产生高质量的单晶金刚石，但该方法不适用于工业应用，因为所获得膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦离子束处理的限制。

此次研发的切边后使用胶带进行剥离金刚石膜的方法，可以批量生产大面积（2 英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平（亚纳米表面粗糙度）和超柔性（360° 可弯曲）金刚石膜。制备的高质量的膜具有平坦的可加工表面，支持标准的微制造技术，其超柔性特性允许直接进行弹性应变工程和变形传感应用，而笨重的金刚石膜则无法做到这一点。系统的实验和理论研究表明，剥离膜的质量取决于剥离角度和膜厚度，因此可以在最佳操作窗口内稳健地生产出基本完整的金刚石膜。



金刚石在半导体领域前景广阔

金刚石因其卓越的载流子迁移率、导热性、介电击穿强度以及从红外到深紫外的超宽带隙和光学透明度，被誉为“终极半导体材料”。

作为第四代半导体核心材料，金刚石半导体具有超宽禁带、高击穿场强、高载流子饱和漂移速度等材料特性。金刚石还是自然界中导热性能最好的材料之一，热系数远高于传统散热材料，有效降低电子设备的温度。另外，金刚石还具有优良的机械性能和化学稳定性，保证了设备的长期稳定运行。

正因为上述优点，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率半导体器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈。

全球各大芯片公司正加大力度投入研究。报道称，英伟达率先开展钻石散热GPU实验，性能是普通芯片的三倍；华为也公布钻石散热专利，例如，12月3日其公布一项名为“一种半导体器件及其制作方法、集成电路、电子设备”的专利，其中涉及到金刚石散热。

此外，全球首座金刚石晶圆厂明年或量产。西班牙政府近日已获得欧洲委员会的批准，将向人造金刚石厂商Diamond Foundry提供8100万欧元的补贴，以支持其在西班牙建造一座金刚石晶圆厂的计划。该工厂计划在2025年开始生产单晶金刚石芯片。

关于碳方程50200A MPCVD设备

金刚石薄膜制备技术的突破，也为相关设备的发展带来了机遇。其中，碳方程 50200A MPCVD（微波等离子体化学气相沉积）设备在这一领域展现出极大的优势和潜力。

碳方程50200A MPCVD 设备能够为金刚石薄膜的生长提供稳定且均匀的反应环境。其精准的温度和压力控制系统，确保了在生长过程中各种参数的精确调控，这对于制备高质量的金刚石薄膜至关重要。该设备采用915MHZ的微波频率，单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达 489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石。设备运行功率方面，采用50KW大功率装置，达到大尺寸金刚石的量产条件。



随着金刚石薄膜技术的不断发展和应用领域的不断拓展，碳方程50200A MPCVD设备有望在未来的半导体、光学、电子等领域发挥更加重要的作用，为金刚石产业的高质量发展提供强有力的保障。

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