金刚石大尺寸晶圆屡创纪录加速我国半导体行业“弯道超车”

金刚石、氧化镓、氮化铝等具有更宽的禁带宽度，被称为超宽禁带半导体，未来有可能用来制造具有更低电阻、更高工作功率、更高耐温能力的功率器件，因此研发热度一直不减。

近来，关于金刚石研发进展的消息陆续传出，涉及大尺寸金刚石晶圆制备、金刚石材料的N型掺杂以及金刚石器件研究等多个关键环节，显示金刚石作为新一代宽禁带半导体材料的现实应用已经迎来曙光。  

 

CVD技术可以精确监控金刚石的生长条件，以获得氮浓度只有百万分之几百的高结晶质量金刚石，并且通过调整生长过程的化学反应可更好地控制掺杂剂的掺入。

目前，CVD生长大尺寸金刚石主要发展出3种主要技术：单颗生长技术、拼接生长技术以及异质外延技术。  

 

福布斯杂志(哥伦比亚版)于7月7日发表了一篇西班牙语文章，其中描绘了美国培育钻石生产企业Diamond Foundry及其创始人马丁·罗斯切森(Martin Roscheisen)的相关情况，文中有两张插图十分醒目。

其中一张图显示罗斯切森手持钻石毛坯，表示“(大尺寸晶圆)代表了半导体等多个领域的未来”。另一张图则显示罗斯切森在其位于旧金山南部的实验室里展示了一块4英寸单晶金刚石晶圆。它切磨自一颗423克拉的培育钻石毛坯。罗斯切特将其视作“量子计算时代的预演”。在这张图的注释中，福布斯引用了罗斯切森的“承诺”：未来两年内将生产8英寸的单晶金刚石晶圆。

 Diamond Foundry在培育钻石/人造金刚石行业的成长速度是有目共睹的。目前该公司的毛坯年产量为500万克拉左右，2025年其位于西班牙的太阳能培育钻石新厂将投产(注：该厂的投资额为8.5亿美元左右)，预计届时该公司产量会超过2000万克拉——这个数字大约为戴比尔斯2022年天然钻石毛坯产量的60%。  

 

2010年，日本AIST的YAMADA研究团队使用“克隆”拼接生长技术获得了无明显拼接缝的英寸级大面积金刚石衬底。2014年，该团队将拼接金刚石的面积扩大到2英寸(40 mm×60 mm)，这是目前拼接生长获得的最大面积的金刚石。  

 

国内高校及科研院所在拼接生长领域发展相对较晚，2017年，哈尔滨工业大学研究团队率先报道了采用拼接法生长金刚石，并使用共聚焦拉曼光谱检测拼接缝处的应力与缺陷。2020年，山东大学研究团队通过拼接生长制备出了11.75 mm×11.75 mm的单晶金刚石。  

在国家政策的强劲鼓励下，重庆启晶科技发展有限公司持续两年刻苦攻关、不懈努力，不断革新技术与改进工艺，最终采用其自主研发的大功率、915MHZ化学气相沉积设备，成功研制出第一批直径4英寸(大于10厘米)、厚度约为300微米的金刚石晶圆片。  

该成果的成功研制，标志着我国在大尺寸金刚石衬底的研发征程中取得突破性进展，该研发成果也将填补国内4英寸级金刚石晶圆片批量化生产的空白。 在日、美、欧等国家纷纷投入巨资成立相关产学研机构推进金刚石材料及其电子器件的研发与应用的大背景下，我国自主研发的4英寸级金刚石晶圆片可极大推进我国半导体产业变革，进一步加速我国半导体行业在国际竞争中实现“弯道超车”。    
 

审核编辑：刘清