金刚石半导体商用加速！

来源:芯智讯发布时间:2023-08-03978浏览

8月2日消息，日本千叶大学的科学家宣布他们已经开发出一种使用激光制造金刚石晶片的方法，有望为下一代半导体提供动力。

虽然目前硅仍然是半导体的主要材料，但是氮化镓、碳化硅宽带隙使半导体材料能够在更高的电压、频率和温度下更有效地发挥作用。随着电动汽车采用的加速，对宽带隙的碳化硅元件需求也是越来越大。

相对于碳化硅来说，金刚石拥有更高的禁带宽度（高达5.45 eV），最大优势在于更高的载流子迁移率(空穴:3800 cm2V-1s-1，电子:4500 cm 2V-1s-1) 、更高的击穿电场(＞10 MVcm-1 )、更大的热导率( 22 WK-1cm-1)，其本征材料优势是具有自然界最高的热导率以及最高的体材料迁移率，可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制作功率半导体器件的理想材料。在智能电网、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。

不过目前金刚石目前实现商业应用尚有较大距离。金刚石材料的高成本和小尺寸是制约金刚石功率电子学发展的主要障碍。举例而言，CVD 制备中掺氮的金刚石单晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位错密度目前可低至400 cm-2 ; 但金刚石异质外延技术的晶圆达4～8 英寸时，位错密度仍高达近107 cm-2量级，高缺陷密度仍是一个挑战。

更为关键的是，金刚石还比较脆，难以加工。虽然金刚石的硬度非常高，但当它破裂时，它们会以非常特殊的不规则方式破裂，这对于制造半导体晶圆来说非常具有挑战。

近期，由日本千叶大学工程研究生院Hirofumi Hidai教授领导的研究小组找到了解决这个问题的方法。他们使用了一种新颖的基于激光的切片技术，可用于沿最佳晶体平面干净地切割金刚石，从而生产光滑的晶圆。他们的工作在《金刚石与相关材料》杂志上发表的一篇文章中有详细介绍。

包括金刚石在内的大多数晶体的性质都沿着不同的晶面变化，这些晶面是包含构成晶体的原子的假想表面。例如，可以容易地沿着{111}表面切割金刚石。然而，切割{100}是具有挑战性的，因为它也会沿着{111}解理面产生裂纹，增加切口损失。

为了防止这些不希望的裂纹传播，研究人员开发了一种金刚石加工技术，将短激光脉冲聚焦在材料内狭窄的锥形体积上。Hidai教授解释道，集中激光照射将金刚石转化为密度低于金刚石的无定形碳。因此，激光脉冲修饰的区域密度降低，并且会形成裂纹。

通过将这些激光脉冲以方形网格模式照射到透明钻石样品上，研究人员在材料内部创建了一个由小裂纹易发区域组成的网格。如果网格中的改性区域之间的空间和每个区域使用的激光脉冲的数量是最优的，则所有改性区域通过优先沿着{100}平面传播的小裂纹相互连接。因此，通过简单地将锋利的钨针推到样品的侧面，即可轻松将具有{100}表面的光滑晶圆与块体的其余部分分离。

总的来说，这项技术是使金刚石成为下一代半导体材料的关键一步。对此，Hidai教授表示，金刚石切割能够以低成本生产高质量的晶圆，是制造金刚石半导体器件所不可或缺的。因此，这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率。

Hidai 和千叶大学并不是唯一一家寻求利用金刚石来为下一代计算和通信技术提供动力的机构。

2021年9月，AKHAN半导体（AKHAN Semiconductor）宣布制造了世界上第一个300毫米金属氧化物互补半导体（CMOS）金刚石晶片。据报道，这项新技术将改善各种行业和制造工艺中电子产品的功率处理、热管理和耐久性。

今年4月，亚马逊网络服务与戴比尔斯子公司 Element Six 合作开发用于量子密钥分发的合成金刚石。这个想法是在金刚石中设计缺陷（称为色心），它可以吸收包含量子信息的光子，然后重新发射它们。亚马逊希望利用这一现象来创建中继器，能够将量子密钥分发的范围扩展到其全球网络。

在早些时候的一次采访中，AWS 量子网络中心负责人 Antia Lamas-Linares表示，距离量子网络完成只有几年的时间了。

编辑：芯智讯-浪客剑

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