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金刚石，被誉为“自然界最坚硬”，集高硬度、卓越导热、高电子迁移率及耐高压、射频强、低成本、耐高温等特性于一身。其半导体特性包括超宽禁带、高击穿场强、高速载流子漂移、高热导率及优异器件品质因子，适用于高温高频大功率抗辐照电子器件，解决“自热”与“雪崩击穿”难题。金刚石还展现出色光学透光性、电学绝缘稳定、机械高强度耐磨性，广泛应用于光电器件、复杂电路及极端工况芯片。在5G/6G通信、微波集成电路、传感等领域发挥关键作用，被视为“终极半导体材料”。采用金刚石电子器件能减轻热管理负担，提升能效，并增强耐压与恶劣环境适应性。
与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料种类上实现突破，更在性能上实现质的飞跃，在诸多领域展现出巨大的应用潜力。
由于金刚石带隙很宽，在半导体领域中，它既能作为有源器件材料(如场效应管和功率开关)，也能作为无源器件材料(如肖特基二极管等)。金刚石在电动汽车中提升功率转换效率、延长电池寿命、缩短充电时间；在5G及未来网络部署中，满足高频高功率需求，助力射频开关、放大器等通信设备；消费电子领域，促进设备小型化、高速化、高效化。
据Virtuemarket预测，金刚石半导体基材市场将从2023年的1.51亿美元增长至2030年的3.42亿美元，CAGR达12.3%。其特性优势推动金刚石在半导体多环节应用，涵盖热管理、封装、微纳加工至BDD电极及量子科技，引领技术创新与产业升级。
一、应用介绍
1、高功率电子器件
由于金刚石具备极高的热导率和宽禁带特性，它非常适合用于制造高功率电子器件，如功率放大器和射频器件等。这些器件在通信、雷达、卫星等领域广泛应用。金刚石的引入能够显著提升器件的功率密度和效率，降低散热成本，并延长器件的使用寿命。
2、高温电子器件
在一些特殊的应用场景中，如航空航天和石油化工等领域，电子器件需要在高温环境下保持稳定工作。金刚石的宽禁带特性使其在高温下仍能保持优良性能，成为制造高温电子器件的理想材料。
3、量子计算
此外，金刚石中的氮空位中心（NV中心）因其独特的量子特性，在量子计算领域展现出巨大的应用潜力。研究人员正在探索利用金刚石中的NV中心实现量子比特的存储和操作，为未来的量子计算技术提供新的解决方案。
4、光学器件
金刚石不仅在电学性能上表现卓越，在光学领域也有着广泛应用。其高透明度、高硬度和良好的化学稳定性使其成为制造高性能光学窗口、透镜和棱镜等器件的理想材料。此外，金刚石还可以作为激光增益介质，用于制造高功率激光器。
5、半导体加工
半导体加工是从晶棒到单个芯片的过程，金刚石工具在这一过程中起着至关重要的作用，如晶棒剪裁、晶圆减薄、划片等。
6、热管理
目前金刚石在半导体功率器件的散热应用主要有三种：一是金刚石钝化散热技术，即直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；二是作为衬底散热，主要有GaN底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延GaN和键合技术，三是作为封装热沉，在其中构筑微通道结构。
金刚石以其低介电常数、高导热率以及良好的机械性能等优势，被广泛用于散热材料。金刚石在半导体器件中的应用形式可包括封装级金刚石焊接、晶圆级金刚石键合以及异质材料金刚石镀膜。以异质材料金刚石镀膜为例，虽然金刚石导热效率高，但由于异质材料与金刚石之间难以形成稳定的化学键，金刚石散热层与异质材料之间的界面结合力欠佳，无法实现良好的界面结合，使得金刚石散热层容易脱落。
并且，在金刚石散热层的制作过程中，金刚石镀膜形核过程中的氢等离子体可能对异质材料表面造成刻蚀损伤，导致金刚石生成后会在界面形成空洞，同样也会降低生长界面的结合力。此外，生长后的金刚石表面还需要研磨抛光，以形成期望的金刚石散热层，而界面结合力较弱易导致金刚石在研磨抛光后脱落并失效。
目前钝化层通常是由氮化硅制成，其结构致密、硬度大、介电强度高、且化学稳定性好，几乎不与任何酸类反应，但由于热导率极低，在高功率半导体器件中使用会受到一定的限制。若采用纳米金刚石薄膜替换原有源区的传统钝化层，直接淀积在器件顶部，则可以增强热点顶部的热扩散，对器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能，散热效率更高。
二、金刚石单晶制备方法
尽管我国在金刚石产业链方面具有显著优势，但在半导体金刚石领域的高端研究领域仍面临挑战。尤其在先进MPCVD设备关键技术开发及市场化方面日本、美国、法国及德国的团队处于领先地位。
目前，人工合成金刚石的主流方法为高温高压(HPHT)法和化学气相沉积(CVD)法。
高温高压(HPHT)金刚石单晶、微粉等产品的市场占有率超过90%。然而，这类金刚石主要用于制作成砂轮、切割线、刀具等工具产品，广泛应用于下游的石油钻探、石材切割、特种加工等市场。HPHT法对于金刚石内部缺陷和杂质的控制比较困难目前还无法满足半导体金刚石材料的合成需求。
CVD金刚石合成的基本原理就是在化学气相沉积过程中，含碳气体、氢气等的混合物通过热能、强电场、微波等能量进行解离获得含碳自由基以及解离氢原子通过结构重构、原子氢刻蚀等一系列气相反应最终实现金刚石(薄膜或单晶)的生长。
根据激发源的不同，目前应用最广泛的三类合成技术分别是热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积，以及直流电弧等离子体喷射化学气相沉积。其中微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)因为没有电极污染而备受青睐。它采用微波激发真空腔室中的反应气体，从而产生等离子体。等离子体中的碳相关活性基团在衬底表面沉积，从而实现金刚石的生长。MPCVD金刚石生长过程中，除了气体中自身携带的极少量杂质外(这些杂质可以通过使用超高纯化气体来极大消除)，一般不会再引入其他杂质。所以，MPCVD法生长的金刚石纯度可以非常高。此外，MPCVD法也可以通过对真空腔体系统及微波发生器的协同设计，实现大尺寸(6~8英寸)金刚石的生长面积，从而满足未来半导体金刚石材料对于大尺寸晶圆的要求，
三、单晶金刚石器件制备方法
①金刚石衬底沉积异质外延
直接在金刚石衬底上通过沉积Si、SiC和GaN等半导体，然后在此外延层上利用刻蚀等手段来制备半导体器件，是一种理想且直观的方式，然而，GaN和AlN等氮化物半导体为六方纤锌矿结构，与金刚石的结构存在较大的差异，晶格不匹配较严重，经常导致外延层材料质量不佳，并导致电学性能差，同时金刚石和GaN等的热膨胀系数也相差较大，导致外延层生长后，样品冷却时会产生巨大的拉伸应变，这将导致外延层开裂，因此该方法要进入应用阶段尚需较长时间。
②低温键合技术
该技术是先利用外延生长工艺在其他衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，并与金刚石衬底进行低温键合。由于半导体外延层和金刚石热沉基板因可在键合前独立制备，既可精简金刚石基半导体器件工艺，也避免了直接外延生长需要的高温，降低了热膨胀失配导致的高密度位错，大幅提高了半导体器件的散热能力。
目前多晶金刚石与Si、GaN、Ga2O3等的室温键合已经通过表面活化键合（SAB）技术实现，此外，还有共晶键合、瞬态液相(TLP)键合、阳极键合、亲水键合、混合键合等常用键合方法。但是利用这种方式实现金刚石与半导体材料的键合对于金刚石热沉基板和半导体外延层的平整度、表面粗糙度要求较高，同时还由于直接键合的方式需要施加较大的压力，存在良率较低的问题。
③基于外延层生长金刚石衬底
于外延层背面直接生长金刚石的方法也是在其他衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，不过与低温键合技术不同，其去除衬底及部分缓冲层后，会信在外延层背面首先沉积一层介电层用于保护GaN外延层，而后再沉积金刚石衬底（厚度~100μm），因此相较于键合技术该技术可以使界面热阻降到更低，在制备金刚石基半导体器件方面具有极大潜力，但由于涉及到高温沉积，对热失配控制是重大挑战。
以上。
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