MPCVD单晶金刚石在半导体、光学显示领域的应用

金刚石，这个世界上最坚硬的物质，因其诸多优异的物理化学性质，成为人们最为关注的材料之一，可以毫不夸张的说，金刚石的出现，有助于了现代化工业的开展。然而对金刚石应用的开发，到现在也仅仅是冰山一角。今天我们就来探讨一下金刚石的两个高端应用。

1.芯片衬底

自20世纪50年代开始，以硅(Si)、锗(Ge)为主的第一代半导体材料使用至今已有70余年，时至今日，仍有95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路由硅材料制作，但因硅自身的物理性质缺陷，限制了其在高频功率器件上的应用。而以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料虽然在二十世纪末风靡一时，但因其价格昂贵，且具有毒性，使得其应用受到很大的局限性。现如今，以金刚石、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为主的具有超宽带隙特性的第三代半导体材料已成为国际竞争的热点。三代半导体材料性质对比如下：

由以上数据可以看出，作为第三代半导体材料中的佼佼者，金刚石材料具备高热导率、高击穿电场、高载流子迁移率、高载流子饱和速率和低介电常数等优异的特性，满足现代电子技术对高温、高压、高功率、高频率以及抗辐射等恶劣条件的要求，已是业界公认的“终极半导体材料”。

图1 用于HEMT器件的金刚石基GaN晶片的制造

S：源极，D：漏极，G：栅极。

以CVD方法制得的大单晶金刚石作为衬底材料可应用于集成电路芯片、超高频大功率电子器件、生物传感器、航空航天及其他极端环境电子元器件等场景，将大幅度提升数据传输速率与转化效率，降低功耗，未来在国防、航空航天、能源勘探、量子计算机、光存储、5G通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多领域发挥战略性作用。

2.芯片散热材料—热沉

随着科研的开展和技术装备的提升，激光二极管列阵等大功率高密度器件已被越来越多地应用于集成电路之中，但受限于普通材料的散热性能，导致温度不断升高，大大降低了其性能，同时缩短了使用寿命。

MPCVD金刚石热沉片

单晶金刚石材料具有现在所知的天然物质中最高的热导率，且工作温度最高可达600℃以上，并具备化学性质稳定、电器绝缘性好、介电常数小、热膨胀系数与器件材料的膨胀系数基本相同、表面平滑性好等特性，是现在用作高功率密度的高端器件的散热元件最理想的材料，可被应用于5G芯片、激光二极管阵列、高速计算机CPU芯片多维集成电路、军用大功率雷达微波行波管导热支撑杆、GaN on diamond复合片、卫星扩热板、微波集成电路基片、集成电路封装自动键合工具TAB等高技术领域。