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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。
5．光学类应用--大尺寸、顶级颜色
独特的光学性能(从紫外到微波频段广域透光)和高的热导率以及低的热膨胀系数使其成为极好的光学窗口材料,在导弹头罩、雷达窗口等方面具有极大的优势;也可作为高能物理研究的探测材料以及高功率器件的热沉和窗口材料。
6．功能性零件应用--大尺寸、高质量
金刚石机械零件:将金刚石直接加工成工业机械零件或生长CVD薄膜提高耐磨能力,延长零件寿命。
人工关节:在人工关节表面增加金刚石薄膜,改善部件性能和寿命。
二、单晶材料生长
天然金刚石稀缺,成本昂贵,满足不了工业化要求。人工合成大尺寸金刚石主要有高温高压法(HPHT)和化学气象沉积法(CVD)。
1．HPHT法原理
HPHT法是人工模拟天然钻石生长条件,在6．7GPa和1500度高温下辅以催化剂等实现石墨相到金刚石相的转变,控温控压和形成温度梯度是合成的关键。
2． HPHT法产品
3． HPHT法关键技术
关键技术1:维持晶体生长恒定的压力曲线
关键技术2:合理的温度梯度保证
关键技术3:温度场的设计与变化验证
关键技术4:质量验证-掺杂与浓度
关键技术5:晶体定向、切割与抛光
4． MPCVD法原理
5． MPCVD法关键技术
关键技术1:MPCVD生长腔室结构仿真
关键技术2:高质量金刚石生长工艺优化
关键技术3:自发成核、异常形核等抑制
关键技术4:大尺寸单晶拼接生长技术
关键技术5:大尺寸单晶剥离技术
关键技术6:P型掺杂及记忆效应
三、济南金刚石科技有限公司研究进展
1．公司概况
济南金刚石科技有限公司成立于2015年6月,是专门从事大颗粒金刚石生产及应用研究的高技术企业;
公司拥有生产厂房建筑面积15,000平方米,拥有年产大颗粒金刚石8万克拉(CT),是世界首家能够利用国际先进的六面顶油压机生产Ib、IIa、IIb型大颗粒金刚石单晶的企业,技术达到国际领先水平,打破国外垄断和禁运。
2．公司产品
目前公司生产Ib型大颗粒金刚石单重达10CT、粒径10mm;IIa、IIb型大颗粒金刚石单重达6CT,粒径8mm,可提供毛坯、钻石、晶片等多种产品。
公司提供部分科研用CVD单晶产品。
Ib型金刚石切片达到10mm*10mm以上。
CVD金刚石单晶片:利用马赛克拼接法实现20mm以上自支撑金刚石单晶制备。
3．金刚石加工与表征
攻克低损耗激光切割和精细抛光技术,实现表面粗糙度5nm以下金刚石单晶衬底制备。
联合俄罗斯国家科学院基础物理所对制备金刚石进行变温热导率测试,结果表明样品室温热导率可达1870-1913W/m·K,完全可以替代现在的常规半导体领域使用的导热材料,并有进一步提升空间。
4．器件研究
利用氢终端的日盲紫外探测器研究。
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来源:中国半导体照明网
