1. 項目簡介

       金剛石單晶集電學、光學、力學和熱學等優(yōu)異特性于一體，在高溫、高頻、高效大功率電子器件、生物傳感器、日盲紫外和粒子閃爍體探測與成像、光電器件、航空航天和武器系統(tǒng)等方面極具應用前景，被譽為“終極半導體”。金剛石電子器件相比其他半導體器件具有高效率（約提高18%）、低損耗（約降低30%）、體積小和更高的集成度、而且無需冷卻系統(tǒng)。其耗能大約為現(xiàn)有器件的1/5-1/3。

       目前日、美、歐、中已紛紛投入巨資、并成立相關組織和產(chǎn)學研機構推進金剛石單晶材料及其電子器件的研發(fā)與應用。英寸級單晶金剛石襯底及其關鍵設備的產(chǎn)業(yè)化，可以極大地推進我國半導體的革命性變革，實現(xiàn)我國微電子行業(yè)的跨越式發(fā)展，達到國際先進水平。

圖1 金剛石半導體特性

       2. 產(chǎn)品性能優(yōu)勢

       （1）基本原理及關鍵技術內容

       通過單晶金剛石半導體襯底外延生長工藝研究金剛石MPCVD生長動力學過程；

       優(yōu)化設計MPCVD反應腔體結構，實現(xiàn)微波等離子體的大面積、高密度和均勻化；

       優(yōu)化反應腔室的熱場分布及氣流分布；

       利用單晶金剛石晶體的等效晶面特征，研究外延生長過程中的橫向生長（Lateral over Growth）技術，采用相互垂直晶面的外延生長方式，獲得10х10mm2以上面積的金剛石襯底；

       研究高能離子注入技術在金剛石淺表層下形成非金剛石層的有關規(guī)律及方法，獲得表面層可分離的同質金剛石單晶襯底，為金剛石單晶的“克隆”創(chuàng)造條件；

       研究不同晶向的襯底接觸部的晶體融合機理及規(guī)律，利用拼湊融合方式外延生長并形成更大面積的單晶襯底，滿足1英寸大面積單晶金剛石襯底的量產(chǎn)需求。

       （2）創(chuàng)新點

       采用等晶面及鑲嵌拼湊融合的方法形成一套大面積單晶金剛石生長的工藝規(guī)范，可生產(chǎn)1英寸（25.4х25.4mm）以上單晶金剛石襯底及薄膜產(chǎn)品。

       獲得采用克隆技術量產(chǎn)大面積單晶金剛石的整體技術。

       3. 市場前景及應用

       按照日本相關公司的預測，隨著金剛石半導體的發(fā)展，在2030年，中國的市場規(guī)模達到100億美元。由于金剛石生產(chǎn)中的主要成本是甲烷、氫氣和消耗電力的費用，成本較低，經(jīng)濟效益顯著。團隊擁有MPCVD設備全套自主知識產(chǎn)權，且制造出的單晶金剛石襯底材料，功率密度已超越日本、意大利等國家，在尺寸上，該團隊可提供厘米級（1cm*1cm）產(chǎn)品，也為國際先進水平。國際上雖然有英寸級、2英寸級產(chǎn)品出現(xiàn)，但仍處于科研實驗階段，產(chǎn)量極低，無法產(chǎn)業(yè)化應用。

       本項目開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品及其市場應用包括以下幾個方面：

       （1）金剛石單晶襯底

       大面積單晶金剛石襯底主要為開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化以下的金剛石電子器件提供外延生長襯底：

       大功率金剛石電力電子器件：其可替代現(xiàn)有的Si、SiC等電力轉換器件和開關電源，大幅減小轉換器件尺寸，而且無需散熱，實現(xiàn)轉化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金剛石電子器件的耗能將是現(xiàn)在使用的器件的1/3-1/5。

       超高頻大功率金剛石電子器件（微波、毫米波雷達）：可用在火控武器系統(tǒng)、雷達、高速無線通信、火箭及航空航天等領域?？商娲F(xiàn)在使用的行波管，使得武器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，大幅降低衛(wèi)星及其它航天器的重量、發(fā)射成本和抗輻照能力。

       應用于集成電路芯片：開發(fā)基于金剛石的下一代集成電路芯片，徹底解決集成電路散熱瓶頸問題，使得集成電路更加大規(guī)模化，更加高速化。

       金剛石紫外LED、LD：可使用在環(huán)保與醫(yī)用殺菌，高密度數(shù)據(jù)儲存等方面。

DNA等生物傳感器：利用金剛石與生物細胞的親和性及其生物傳感器的高靈敏性，開發(fā)各種金剛石生物傳感器；同時，也可以制成生物武器探測器等。

       日盲紫外探測器和超快粒子輻射閃爍體探測器：應用于導彈制導與預警、深空x光通信。

       其他的電子器件和傳感器。

圖2 單晶金剛石襯底

       （2）戰(zhàn)斗機和其他武器系統(tǒng)的抗高能微波及耐磨視窗材料

       利用金剛石的遠紅外到深紫外的高透光特性，高導熱特性以及高強度特性，可以制成高功率微波武器的窗口、長程導膽窗口和探測器的窗口。

        （3）超硬材料工具方面

       金剛石具有最高的導熱率和楊氏模量，是迄今為止最硬的物質，這就使得金剛石在刀具等工具行業(yè)里有著廣泛的應用。比如美國蘋果公司的iPhone手機的加工就需要用到大量的單晶金剛石，還有石油勘探所用鉆頭，精密加工刀頭，手術刀等等。

        （4）微波等離子體CVD設備

       以上幾個方面的大量應用就需要用到MPCVD設備。因此，在金剛石電子器件，軍工市場展開之后，MPCVD的需求也會大幅攀升。

圖3 關鍵設備-MPCVD

       （5）電力電子器件（寬緊帶、耐高壓、抗擊穿）

       （6）培育鉆石

       4. 技術成熟度

       技術成熟、可產(chǎn)業(yè)化。

圖4 單晶金剛石襯底“克隆”生長（剝離前）

圖5 單晶金剛石襯底“克隆”生長（剝離后）

負責人: 王宏興

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所在學院：西安交大電信學院