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新型先进材料CVD金刚石热沉片的前沿应用

发表时间:2022-06-27 14:20作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

CVD金刚石热沉片是聚晶纯金刚石材料,不含任何结合剂和添加剂,宏观各向同性,具有优异的耐磨性、耐温性和导热性,锋利耐用,强度高,不易破碎,加工工件表面光洁度高。CVD金刚石具有天然钻石的一切优异的物理化学性能,使得在精密切削刀具、耐磨器件、半导体及电子器件、低磁探测、光学窗口、声学应用、生物医学、珠宝首饰等方面得到广泛应用。


金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料:


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•极高的热传导:热导率2200W/mk,室温下金刚石具有最高的热导率


•极高介质击穿特性:击穿电场为107V/cm,是GaAs的50倍,GaN的2倍,SiC的

2.5倍


•极高的功率容量:容许的功率使用容量是Si材料的2500倍以上,特别适合制作大功率电子器件


•低的介电常数:介电常数为5.7,约为GaAs的1/2,比LnP的一半还小


•高饱和载流子速度:饱和载流子速度是GaAS、Si或LnP的12.7倍,在电场强度增加时也维持高速率


•高载流子迁移率:电子迁移率为4500cm*2/(VS),高于绝大多数材料,适合作高频电子器件



超宽禁带半导体领域:高品质的CVD金刚石可用于“超宽禁带半导体”,并将极大推动电网、机车、电动车行业的发展。


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在半导体中,有三个很重要的因素:载流子迁移率,就是电子跑得快不快;击穿场强,反映的是耐电强度;导热性。CVD金刚石,在上面这三个方面的表现极其优秀。目前已经在MPCVD法制备的大尺寸金刚石上获得高达1150m2/V的迁移率。高击穿电压、高热导率1000-2000W/m.k。


在半导体技术中,有一个关键的设备,叫“光导开关”(photoconductive switch),其作用可以理解为“利用激光脉冲进行触发”。以前,光导开关的关键材料是硅,但是用硅做原材料的开关庞大且笨重。用CVD金刚石做光导开关材料的话,大概能缩到指甲盖这么大小。这项技术对于培育钻石行业(尤其是CVD)的发展是有积极意义的。一旦以金刚石为基体的宽禁带半导体可以大规模应用,那么目前世界上的硅基半导体产业将面临巨大变革,金刚石宽禁带半导体将会引领下一次半导体产业革命。


光学应用领域:金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率,是一种优异的光学材料。比如MPCVD单晶金刚石可以做成大功率激光器件的输能窗口,还可以做成宇宙探测器的钻石窗。金刚石兼具耐热冲击、耐化学腐蚀及耐机械磨损等特性,在红外窗口、微波窗口、高功率激光窗口、热成像系统窗口、X射线窗口等方面都有相应研究和应用。


量子器件应用领域:含有氮空位缺陷的金刚石具有独特的量子特性,能够在室温下用特定光束对NV色心进行操作,具有相干时间长、荧光强度稳定、发光强度高的特点,是极具研究价值和前景的量子比特载体之一。例如金刚石探测器不惧极端恶劣的辐射环境和环境杂光,无需加滤光片,而且可以在室温和较高的温度下正常工作,不需要像硅探测器那样外加冷却系统。


声学应用领域:金刚石具有弹性模量高、密度低和强度高的优点,非常适合用于制作高频、大功率声表面波器件,是制作高保真声学器件的理想材料。


医疗行业应用领域:金刚石的高硬度、高耐磨性、低摩擦系数及良好的生物相容性,使其广泛应用于假体关节、心脏瓣膜、生物传感器等方面,成为现代医疗行业不可或缺的重要材料。


珠宝首饰方面的应用:CVD金刚石在颜色、净度等方面可以与天然金刚石媲美,并且在生产成本和价格方面具有明显优势。美国公司已经实现了“纪念钻石”生长技术,以人体中的碳为原料(比如头发、骨灰)做成钻石,用一种特殊的方式帮助家人表达对失去亲人的爱,赋予培育钻石特殊的意义。


总之,CVD金刚石作为珠宝的发展空间可以预见,然而它的科技应用发展无限且需求可观。化合积电具备MPCVD设备设计能力,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产,并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,晶圆级金刚石Ra<1nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k,更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


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