作者：郑州磨料磨具磨削研究所王光祖

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1.引言

金刚石因其优异的物理化学性质，被广泛应用于多个领域。作为一种间接带隙半导体材料，金刚石的禁带宽度约为5.2 eV，热导率高达22 W/(cm·K)，室温下电子和空穴迁移率分别达到4500 cm²/(V·s)和3380 cm²/(V·s)，远高于第三代半导体材料GaN和SiC。因此，金刚石在高温、大功率电力电子器件以及高频大功率微波器件方面展现出广阔的应用前景。此外，金刚石具有高达80 meV的激子束缚能，可在室温下实现高强度的自由激子发射，发光波长约为235 nm，在制备大功率深紫外发光二极管方面潜力巨大。同时，金刚石在极紫外、深紫外以及高能粒子探测器的研制中也具有重要作用。尽管目前金刚石半导体材料的生长与器件研制仍面临诸多挑战，但可以预见，半导体金刚石材料及器件的应用有望在不久的将来引领科学技术的重大变革。

因此，金刚石在功率半导体器件制造领域具有巨大的应用潜力。

当前，金刚石半导体在新材料、新器件及新技术中的应用正处于快速发展阶段。全球范围内正加紧开展金刚石半导体相关研究，其持续创新与发展也为各行各业带来了更广阔的应用前景。

为加快推进高质量、大尺寸金刚石晶圆等关键技术的突破，来自多领域、交叉学科的研究人员与产业专家正积极协作。相信在不久的将来，功率金刚石材料必将走出实验室，实现商业化应用。

2.金刚石半导体激光切割技术

经过业界的长期研发，金刚石半导体正逐步迈向实用化阶段。然而，金刚石作为典型的硬脆难加工材料，目前常用的切割方式包括水刀切割、电火花切割和激光切割。

激光切割作为一种精密加工方法，几乎能够加工所有材料。其原理是利用聚焦后的高功率密度激光束照射工件，使被照射材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时通过与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现工件切割。

尽管金刚石对半导体行业极具吸引力，但由于缺乏有效的切片技术，其应用受到限制。目前，金刚石晶圆仍需逐个合成，导致制造成本居高不下，难以在多数行业中推广。

据日本千叶大学官网消息，该校研究生院Hirofumi Hidai教授领导的研究团队在这一问题上取得了突破。他们采用一种新型激光切片技术，利用激光脉冲将金刚石切割成薄片，为下一代半导体材料的应用铺平了道路。该技术可沿最佳晶体平面精准切割金刚石，从而制备出表面光滑的晶圆。

包括金刚石在内的大多数晶体，其性质随晶面方向不同而变化。晶面是包含晶体原子的假想平面。虽然人们可以较为容易地沿某些晶面切割金刚石，但在切割过程中容易沿解理面产生裂纹。例如，沿{111}面切割较为容易，而沿{100}面切割则更具挑战性，因为裂纹容易沿{111}解理面扩展，造成切口损失。

为抑制裂纹扩展，研究人员开发出一种新型金刚石加工技术：激光不直接切割晶圆网格，而是将短脉冲激光聚焦于材料内部一个狭窄的锥形区域。

Hidai教授解释说，聚焦激光照射将金刚石转化为密度低于金刚石的非晶碳。由此在金刚石结构中形成的低密度网格线，为裂纹扩展提供了预设的断裂路径。

研究人员表示，经过上述处理后，可以轻松分离出规则形状的金刚石晶圆，为后续制造工序做好准备。

总体而言，该技术是推动金刚石成为下一代半导体材料的关键一步。Hidai教授指出，能够低成本制备高质量金刚石晶圆，是实现金刚石半导体器件制造不可或缺的条件。因此，这项研究使我们向这一目标的实现更近了一步。

3.金刚石半导体产业中的应用

3.1高功率电力电子器件

金刚石作为半导体材料，具有高光学声子能量、最高的电子和空穴迁移率，以及已知半导体材料中最高的热导率，能够满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制备功率半导体器件的理想材料。

近年来，金刚石半导体作为下一代高频高功率电子器件的应用受到广泛关注。尽管其在功率器件方面展现出令人印象深刻的性能，但由于当前研究水平有限，器件运行寿命仍远低于预期，因此仍有较大改进空间。

3.2深紫外探测器与高能粒子探测器

金刚石半导体材料的禁带宽度达5.47 eV。在深紫外光电子领域，得益于其宽带隙、耐高温和抗辐照特性，金刚石在极端条件下的深紫外探测器和高能粒子探测器中具有天然优势。

金刚石探测器具有体积小、抗辐照能力强、响应速度快等特点，在核辐射探测领域优势显著。目前，高质量单晶金刚石材料的制备技术仍是制约金刚石探测器大规模应用的关键瓶颈。探测性能受金刚石内部杂质与缺陷的影响较为明显。

3.3衬底材料

随着电子技术的快速发展，半导体材料持续更新，集成电路也朝着大规模、高集成度、大功率方向不断推进。据统计，超过55%的电子设备失效是由温度过高引起的。若不能及时将热量导出，元器件会因局部温度过高而导致性能下降甚至烧毁。因此，发展高效的新型散热技术成为保障电子设备可靠性与稳定性的迫切需求。

金刚石作为自然界中热导率最高的衬底材料，有望在高热器件中实现近乎完美的热耗散，因而受到广泛关注。

扩大CVD金刚石衬底的晶体尺寸并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。

目前，MPCVD制备大面积单晶金刚石主要有三种方法：重复生长法、三维生长法和拼接生长法。

重复生长法：在生长过程中，每隔一段时间将样品取出，对生长面进行抛光清洗等处理后再继续生长，如此重复多次以实现大尺寸金刚石的制备。表面抛光的目的是去除外延层表面形成的台阶和多晶区域，以保证后续生长的质量。研究表明，该方法能在纵向上生长较厚的单晶，但难以实现有效的横向外延，对扩大单晶面积的效果有限。

三维生长法：需结合重复生长法。首先在衬底(100)面上采用重复生长法生长至一定厚度，抛光处理后，再以(010)面作为生长面继续生长，反复多次以实现大面积单晶沉积。该方法同样存在中断次数增多导致晶体质量下降的问题。此外，多次生长和表面处理也带来效率低、成本高等问题。

拼接生长法（马赛克法）：将多个尺寸、厚度和晶向一致的方形小金刚石衬底拼接成较大衬底，并在其上沉积大面积单晶金刚石。该方法的关键在于保证各小衬底晶向高度一致，晶向偏差将直接影响外延质量。相比前两种方法，拼接法在制备大面积单晶金刚石方面优势明显，不仅面积大，晶体质量也较好（接缝处除外）。但其缺点在于，小衬底之间难以实现完美匹配，拼接处易形成缺陷甚至开裂。

Y.Mokuno等人采用10 mm×10 mm的单晶金刚石籽晶作为衬底，结合MPCVD与离子注入剥离技术，在不同侧面反复生长，成功制备出尺寸达12×13×3.7 mm³、重4.65 ct的单晶金刚石，远超当时商用HPHT法所能合成的最大单晶尺寸。然而，该方法受加工条件限制，操作流程复杂，因此三维生长法并非大单晶生长的优选路径。

相比之下，马赛克法是一种更快速获得大尺寸单晶的途径（如图2所示），且操作流程更为简便。Hideaki Yamada等人利用离子注入剥离技术成功合成多片半英寸单晶金刚石片，其晶体特性与籽晶一致。他们选取质量较好的晶片拼接成马赛克基底，进行外延生长后，再次结合剥离与反复沉积技术，最终合成大尺寸单晶金刚石晶片。

目前，该尺寸与金刚石半导体所需尺寸仍有差距。一般认为，单晶金刚石尺寸需达到两英寸以上才能满足半导体器件研发需求。总体而言，马赛克拼接技术为大尺寸单晶金刚石的生长提供了有效途径。随着工艺的不断进步与完善，由拼接界面引起的表面质量问题也将逐步得到解决。

图1三维扩大生长法的生长流程示意图

图2马赛克法生长大面积单晶金刚石生长流程示意图

截至目前，由于生产成本高昂，单晶金刚石在市场上的应用仍受到诸多限制。降低生产成本将极大拓展金刚石的市场价值，而实现这一目标的唯一途径是通过提高效率，推动批量生产。自Asmussen等人利用915 MHz MPCVD方法成功实现近百个籽晶同时生长以来，大批量单晶金刚石的制备技术日益受到研究者关注。为提升生长效率，多片生长法已成为重要发展方向。

4.金刚石半导体应用前景可期

随着半导体产业的快速发展，市场对高性能材料的需求愈发迫切。金刚石半导体器件具备优异的物理特性，包括高导热性、高击穿场强和高载流子迁移率，能够显著降低能量损耗、实现快速散热并延长器件寿命。此外，其出色的性能使其能够承载比硅器件高50,000倍的输出功率和1,200倍的频率。因此，金刚石在功率半导体器件制造领域展现出巨大的应用潜力。

当前，金刚石半导体在新材料、新器件及新技术中的应用正处于快速发展阶段。全球范围内正不断加强相关研发工作，其持续创新与发展也为各行各业开辟了更广阔的应用前景。为推动高质量、大尺寸金刚石晶圆等关键技术的突破，来自多领域与交叉学科的研究人员及产业专家正积极协作。预计在不久的将来，功率金刚石材料将从实验室走向商业化应用。

金刚石半导体不仅运算速度快，且具备优异的耐高温性能。硅晶片通常只能承受低于300℃的温度，砷化镓晶片耐温上限不及400℃，而金刚石则可耐受近700℃的高温而不受损。更值得一提的是，金刚石的散热性能在所有材料中最为出色，热传导速率比硅晶体快约30倍。高功率金刚石半导体在运行过程中无需额外散热装置，因而是理想的集成电路材料。

未来，金刚石半导体要实现大规模发展，可能需待硅材料技术接近其物理极限。一旦硅晶技术发展至先天瓶颈，金刚石半导体的卓越性能将获得广泛重视，并逐步实现商业化。届时，金刚石半导体有望主导市场，推动人类科技迈向更高阶段，开启全新的“金刚石时代”。

尽管金刚石半导体目前仍面临诸多挑战，但其长远前景依然被看好。半导体产业的发展历程始于锗，目前由硅主导，未来可能由碳化硅接棒。碳化硅具有与金刚石类似的结构，但其中一半原子为硅，因此可视为“半个金刚石”。碳化硅很可能成为从硅时代向金刚石半导体时代过渡的关键材料。

金刚石必将成为未来半导体材料的主流。纵观半导体材料的演进路径，实则是沿着元素周期表第四族自上而下发展：从锗、硅，到碳化硅，最终抵达位于该族顶端的碳，即金刚石。碳之上再无其他元素可替代其地位，因此一旦金刚石成为主流，半导体材料体系或将趋于稳定。若未来真的没有材料能够取代金刚石，“钻石永流传(Diamond is Forever)”岂非一语成谶？