鉆石，也就是金剛石，根據(jù)晶體形態(tài)可分為單晶體、連生體和聚晶體。其中金剛石單晶由于缺陷少、品質(zhì)高，在某些應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的作用。不過天然的金剛石單晶在自然界中因其漫長的形成過程和相對稀缺性，價(jià)格非常昂貴。

但隨著人工合成方法越來越成熟，人工合成金剛石逐漸出頭，憑借其擁有的高強(qiáng)度、高硬度、熱膨脹系數(shù)小、高導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的透光性和電學(xué)性質(zhì)，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的研究興趣。尤其是在半導(dǎo)體領(lǐng)域，更被認(rèn)為是大有可為。

CVD金剛石的制備

目前人工合成金剛石單晶的方法主要可分為兩類：高溫高壓法（HTHP），化學(xué)氣相沉積法（CVD）。其中HTHP法可獲取的單粒尺寸相對較小，而且高溫高壓法合成的單晶可能含有觸媒等雜質(zhì)，并且無法有效地進(jìn)行半導(dǎo)體摻雜。

而化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種常見的薄膜材料制備方法，它利用氣相前驅(qū)體在特定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在特定基底上沉積形成所需薄膜材料。在單晶金剛石材料的制備中，通常采用作為甲烷和氫氣作為前驅(qū)體，在高溫（約1000℃）、常壓（1大氣壓）或低壓條件下，以單晶金剛石襯底作為基底，以氣相外延的方式生長單晶金剛石，所用的單晶金剛石襯底可以是天然金剛石、HPHT金剛石或CVD金剛石。

單晶金剛石生長襯底（晶種）

CVD金剛石的生長過程（gif）

“種”好的金剛石

據(jù)中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家介紹，培育金剛石的過程就像種糧食，“首先要有一個籽晶片，還需要用到甲烷氣體，甲烷在能量作用下，形成了一個碳的等離子體，這個等離子體就像灰塵一樣，在空氣中慢慢沉積到金剛石的籽晶片，一點(diǎn)一點(diǎn)沉積上去。”

CVD金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢

CVD金剛石的外觀、成分與天然金剛石幾乎一樣，物理、化學(xué)特性也沒有太大不同，在肉眼下，兩者看不出任何區(qū)別。不過CVD金剛石之所以受重視，最主要的原因就是“純”，它與天然金剛石相比更加地干凈，幾乎沒有任何雜質(zhì)。

極高的純度，使得CVD金剛石在應(yīng)用上比天然金剛石擁有更多的可能性——比如說憑借優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，金剛石材料目前已在半導(dǎo)體領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。金剛石與c-BN（6.4eV）、Ga₂O₃（4.8eV）、AIN（4.eV）等材料禁帶寬度在5eV左右，同屬于當(dāng)前熱門的的超寬禁帶半導(dǎo)體材料。其中金剛石的禁帶寬度為5.47eV，是當(dāng)前單質(zhì)半導(dǎo)體材料中帶隙最寬的材料，其各項(xiàng)電學(xué)性質(zhì)極其優(yōu)異：

①極高的擊穿電場：高達(dá)10⁹Vem-1，是礎(chǔ)化鎵材料的17倍，氮化鎵材料的2倍，碳化硅材料的2.5倍。

②飽和載流子速度：在飽和載流子速度方面金剛石是硅、砷化鎵的2.7倍，而且載流子速度比礎(chǔ)化鎵的峰值還要大，即在申場強(qiáng)度增加時(shí)也可維持其高的速率。

③載流子遷移率：金剛石的電子遷移率與空穴遷移率都優(yōu)于其它半導(dǎo)體材料，室溫下電子的遷移率為4500cm²/V·S，而硅僅為1500cm²/V·S，砷化鎵為8500cm2/V-S，氮化鎵低于1000cm²/V·S；金剛石空穴遷移率為3800cm²/V·S，而硅僅為600cm²/VS，砷化鎵為400cm²/V·S，氮化鎵為<50cm²/V·S，因而，金剛石可以制作高頻電子器件。

④低的介電常數(shù)：金剛石的介電常數(shù)為5.7，約為砷化鎵的二分之一，小于InP的一半，即在給定的頻率下，金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)越的容性負(fù)載，這為毫米波器件的設(shè)計(jì)提供了極大的方便。

四種半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)對比

半導(dǎo)體領(lǐng)域中，目前最主流的硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，需要有更好的材料來做接續(xù)。憑借上述的各種優(yōu)勢，CVD金剛石確實(shí)有機(jī)會成為下一個半導(dǎo)體世代的絕佳材料，能讓電子產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)更快，而且更耐熱，不容易損壞。科學(xué)家認(rèn)為，未來的量子計(jì)算機(jī)或可憑借金剛石制成的芯片，大幅提升計(jì)算機(jī)熱導(dǎo)率，讓計(jì)算機(jī)在接近絕對零度下也能保持順暢運(yùn)行。

CVD金剛石的發(fā)展目標(biāo)

不過無論是什么產(chǎn)業(yè)，要更替原有的生產(chǎn)模式使用新的原材料并不容易，還需要時(shí)間去研發(fā)。

金剛石要應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，前提就是生產(chǎn)出尺寸較大的單晶材料，因此通過改進(jìn)制備工藝生產(chǎn)出尺寸更大的CVD金剛石就是該產(chǎn)業(yè)目前主要的發(fā)展目標(biāo)。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，人工合成金剛石有望引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)的革命。

資料來源：

MPCVD法生長單晶金剛石研究，段鵬。

CVD金剛石大單晶外延生長及高技術(shù)應(yīng)用前景，呂反修，黑立富，劉杰，宋建華，李成明，唐偉忠，陳廣超。

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