終極半導(dǎo)體材料——金剛石新突破，登上頂級(jí)期刊，助力科技高質(zhì)量發(fā)展

作者：碳方程新材料（山西）有限公司
類別：行業(yè)新聞
更新時(shí)間：2024-12-27 15:05:10
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近日，香港大學(xué)褚智勤教授、Yuan Lin教授、北京大學(xué)東莞光電研究所Qi Wang教授和南方科技大學(xué)李攜曦教授在金剛石薄膜材料制備和應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展，成功開發(fā)出能夠批量生產(chǎn)大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的制備方法。

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著在金剛石薄膜技術(shù)領(lǐng)域的一大飛躍，為未來金剛石薄膜在電子、光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。研究成果以“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane”為題發(fā)表于《Nature》。

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目前，超薄金剛石主要通過切片大塊金剛石或在異質(zhì)基底上通過CVD（化學(xué)氣相沉積）生長(zhǎng)獲得。但CVD法無法獲得與硅基半導(dǎo)體技術(shù)完全兼容的大面積、分層形式的金剛石膜，切片法可以產(chǎn)生高質(zhì)量的單晶金剛石，但該方法不適用于工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)樗@得膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦離子束處理的限制。

此次研發(fā)的切邊后使用膠帶進(jìn)行剝離金剛石膜的方法，可以批量生產(chǎn)大面積（2 英寸晶圓）、超薄（亞微米厚度）、超平（亞納米表面粗糙度）和超柔性（360° 可彎曲）金剛石膜。制備的高質(zhì)量的膜具有平坦的可加工表面，支持標(biāo)準(zhǔn)的微制造技術(shù)，其超柔性特性允許直接進(jìn)行彈性應(yīng)變工程和變形傳感應(yīng)用，而笨重的金剛石膜則無法做到這一點(diǎn)。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，剝離膜的質(zhì)量取決于剝離角度和膜厚度，因此可以在最佳操作窗口內(nèi)穩(wěn)健地生產(chǎn)出基本完整的金剛石膜。

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金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域前景廣闊

金剛石因其卓越的載流子遷移率、導(dǎo)熱性、介電擊穿強(qiáng)度以及從紅外到深紫外的超寬帶隙和光學(xué)透明度，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

作為第四代半導(dǎo)體核心材料，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高載流子飽和漂移速度等材料特性。金剛石還是自然界中導(dǎo)熱性能最好的材料之一，熱系數(shù)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)散熱材料，有效降低電子設(shè)備的溫度。另外，金剛石還具有優(yōu)良的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，保證了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率半導(dǎo)體器件，克服器件的“自熱效應(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸。

全球各大芯片公司正加大力度投入研究。報(bào)道稱，英偉達(dá)率先開展鉆石散熱GPU實(shí)驗(yàn)，性能是普通芯片的三倍；華為也公布鉆石散熱專利，例如，12月3日其公布一項(xiàng)名為“一種半導(dǎo)體器件及其制作方法、集成電路、電子設(shè)備”的專利，其中涉及到金剛石散熱。

此外，全球首座金剛石晶圓廠明年或量產(chǎn)。西班牙政府近日已獲得歐洲委員會(huì)的批準(zhǔn)，將向人造金剛石廠商Diamond Foundry提供8100萬歐元的補(bǔ)貼，以支持其在西班牙建造一座金剛石晶圓廠的計(jì)劃。該工廠計(jì)劃在2025年開始生產(chǎn)單晶金剛石芯片。

關(guān)于碳方程50200A MPCVD設(shè)備

金剛石薄膜制備技術(shù)的突破，也為相關(guān)設(shè)備的發(fā)展帶來了機(jī)遇。其中，碳方程 50200A MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）設(shè)備在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

碳方程50200A MPCVD 設(shè)備能夠?yàn)榻饎偸∧さ纳L(zhǎng)提供穩(wěn)定且均勻的反應(yīng)環(huán)境。其精準(zhǔn)的溫度和壓力控制系統(tǒng)，確保了在生長(zhǎng)過程中各種參數(shù)的精確調(diào)控，這對(duì)于制備高質(zhì)量的金剛石薄膜至關(guān)重要。該設(shè)備采用915MHZ的微波頻率，單爐可生產(chǎn)8英寸多晶產(chǎn)品，若用于生產(chǎn)單晶金剛石，單爐能夠穩(wěn)定產(chǎn)出多達(dá) 489 片尺寸為 7*7mm 的單晶金剛石。設(shè)備運(yùn)行功率方面，采用50KW大功率裝置，達(dá)到大尺寸金剛石的量產(chǎn)條件。

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隨著金剛石薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，碳方程50200A MPCVD設(shè)備有望在未來的半導(dǎo)體、光學(xué)、電子等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為金剛石產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

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