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【极智课堂】山东大学王笃福教授:金刚石晶体材料生长及应用

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰。

本期,极智课堂邀请到济南金刚石科技有限公司董事长、山东大学教授王笃福带来了题为“金刚石晶体材料生长及应用”的精彩主题分享。

一、人造金刚石概况

金刚石:碳原子以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。

1.发展历史

1954年美国通用电气成功在高温、高压条件下合成出人造金刚石,1970年利用温差法生长出克拉级宝石金刚石;

1963年中国首次用静压法合成出人造金刚石;1965年铰链式六面顶压机安装成功;

1985年日本住友电气公司实现克拉级优质金刚石单晶的生产;

1996年戴比尔斯用1000小时合成出25CT优质Ib型金刚石单晶;

1996年美国阿波罗金刚石创始人提出CVD金刚石,2003年推出首饰级CVD金刚石产品;

1998年美国卡内基地质物理实验室开始CVD单晶金刚石合成;2002年元素六公司开始用CVD法生长单晶金刚石;

2014年俄罗斯NDT公司用HPHT法生产出34CT的IIa型金刚石单晶;

2.国内金刚石产业现状

2015年济南金刚石正式产业化生产大尺寸金刚石,单重最大10CT。

2015年中国的金刚石产量超过100亿克拉,占世界总产量的90%以上,但主要是小于1mm的磨料级金刚石,占据产业的最低端市场;

以华晶、黄河、中南为代表的磨料企业,可以生产1.2-1.8mm无色单晶和4*4mmIb型片状单晶;

目前济南金刚石、中南钻石可以生产10CT以上金刚石单晶体,切片尺寸可以达到10*10mm,为半导体基础应用研究提供基础条件。

近几年国内CVD单晶生长有了快速发展和进步,上海征世、杭州超然、宁波晶钻等公司生长的金刚石单晶体尺寸可以达到10mm*10mm以上。

3.半导体应用及研究进展

金刚石单晶材料作为“终极半导体”材料,在高频、高功率半导体器件领域有着巨大应用潜力,目前主要受制于金刚石单晶尺寸太小。

2013年8月日本国家先进工业科技研究所(AIST)和国立材料研究所(NIMS)的科学家们已经成功研制出了耐高压(10Kv)真空电力开关并顺利进行了试验;该技术利用了金刚石半导体材料,目前尚属世界首例,器件体积可缩小到原来的1/10。

2014年5月美国雷神公司使用金刚石替代碳化硅(SiC)作为GaN器件的衬底研制出金刚石基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),证明金刚石基GaN晶体管功率密度比SiC基GaN器件增加3倍,克服了阻碍氮化镓器件一进步发展的主要障碍。

2014年日本产业技术综合研究所宣布研制出250度高温下5A工作SBD,反向截止电压大于10Kv。

2016年下半年俄罗斯研发出第一台以金刚石为存储器的量子计算机。

2020年美国佐治亚理工学院与日本明星大学和早稻田大学联合开发出“表面激活粘合”(surface-activatedbonding)技术,能够在室温环境下将氮化镓(GaN)等宽禁带材料与金刚石等高导热材料集成,提升器件散热能力,这有可能加快推进金刚石在半导体应用中的产业化。

4.工具类应用--大尺寸、高硬度

金刚石作为已知最硬的材料,理论上可以加工切削任何材料,制成工具主要用于非铁基合金、石材和陶瓷材料的加工,在车刀、石油钻头、切割工具等领域应用较广泛。全球金刚石工具市场规模超过200亿美元,且应用领域保持20%以上的年增长率。

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