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金剛石半導體商用加速

發(fā)布時間：

2023-08-21

8月2日消息，日本千葉大學的科學家宣布他們已經(jīng)開發(fā)出一種使用激光制造金剛石晶片的方法，有望為下一代半導體提供動力。

雖然目前硅仍然是半導體的主要材料，但是氮化鎵、碳化硅寬帶隙使半導體材料能夠在更高的電壓、頻率和溫度下更有效地發(fā)揮作用。隨著電動汽車采用的加速，對寬帶隙的碳化硅元件需求也是越來越大。

相對于碳化硅來說，金剛石擁有更高的禁帶寬度（高達5.45 eV），最大優(yōu)勢在于更高的載流子遷移率(空穴:3800 cm2V-1s-1，電子:4500 cm 2V-1s-1) 、更高的擊穿電場(＞10 MVcm-1 )、更大的熱導率( 22 WK-1cm-1)，其本征材料優(yōu)勢是具有自然界最高的熱導率以及最高的體材料遷移率，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

不過目前金剛石目前實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用尚有較大距離。金剛石材料的高成本和小尺寸是制約金剛石功率電子學發(fā)展的主要障礙。舉例而言，CVD 制備中摻氮的金剛石單晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位錯密度目前可低至400 cm-2 ; 但金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓達4～8 英寸時，位錯密度仍高達近107 cm-2量級，高缺陷密度仍是一個挑戰(zhàn)。

更為關(guān)鍵的是，金剛石還比較脆，難以加工。雖然金剛石的硬度非常高，但當它破裂時，它們會以非常特殊的不規(guī)則方式破裂，這對于制造半導體晶圓來說非常具有挑戰(zhàn)。

近期，由日本千葉大學工程研究生院Hirofumi Hidai教授領(lǐng)導的研究小組找到了解決這個問題的方法。他們使用了一種新穎的基于激光的切片技術(shù)，可用于沿最佳晶體平面干凈地切割金剛石，從而生產(chǎn)光滑的晶圓。他們的工作在《金剛石與相關(guān)材料》雜志上發(fā)表的一篇文章中有詳細介紹。

包括金剛石在內(nèi)的大多數(shù)晶體的性質(zhì)都沿著不同的晶面變化，這些晶面是包含構(gòu)成晶體的原子的假想表面。例如，可以容易地沿著{111}表面切割金剛石。然而，切割{100}是具有挑戰(zhàn)性的，因為它也會沿著{111}解理面產(chǎn)生裂紋，增加切口損失。

為了防止這些不希望的裂紋傳播，研究人員開發(fā)了一種金剛石加工技術(shù)，將短激光脈沖聚焦在材料內(nèi)狹窄的錐形體積上。Hidai教授解釋道，集中激光照射將金剛石轉(zhuǎn)化為密度低于金剛石的無定形碳。因此，激光脈沖修飾的區(qū)域密度降低，并且會形成裂紋。

通過將這些激光脈沖以方形網(wǎng)格模式照射到透明鉆石樣品上，研究人員在材料內(nèi)部創(chuàng)建了一個由小裂紋易發(fā)區(qū)域組成的網(wǎng)格。如果網(wǎng)格中的改性區(qū)域之間的空間和每個區(qū)域使用的激光脈沖的數(shù)量是最優(yōu)的，則所有改性區(qū)域通過優(yōu)先沿著{100}平面?zhèn)鞑サ男×鸭y相互連接。因此，通過簡單地將鋒利的鎢針推到樣品的側(cè)面，即可輕松將具有{100}表面的光滑晶圓與塊體的其余部分分離。

總的來說，這項技術(shù)是使金剛石成為下一代半導體材料的關(guān)鍵一步。對此，Hidai教授表示，金剛石切割能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，是制造金剛石半導體器件所不可或缺的。因此，這項研究使我們更接近實現(xiàn)金剛石半導體在社會中的各種應(yīng)用，例如提高電動汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率。

Hidai 和千葉大學并不是唯一一家尋求利用金剛石來為下一代計算和通信技術(shù)提供動力的機構(gòu)。

2021年9月，AKHAN半導體（AKHAN Semiconductor）宣布制造了世界上第一個300毫米金屬氧化物互補半導體（CMOS）金剛石晶片。據(jù)報道，這項新技術(shù)將改善各種行業(yè)和制造工藝中電子產(chǎn)品的功率處理、熱管理和耐久性。

今年4月，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與戴比爾斯子公司 Element Six 合作開發(fā)用于量子密鑰分發(fā)的合成金剛石。這個想法是在金剛石中設(shè)計缺陷（稱為色心），它可以吸收包含量子信息的光子，然后重新發(fā)射它們。亞馬遜希望利用這一現(xiàn)象來創(chuàng)建中繼器，能夠?qū)⒘孔用荑€分發(fā)的范圍擴展到其全球網(wǎng)絡(luò)。

在早些時候的一次采訪中，AWS 量子網(wǎng)絡(luò)中心負責人 Antia Lamas-Linares表示，距離量子網(wǎng)絡(luò)完成只有幾年的時間了。