金剛石的“高貴”

說起“Diamond”給人第一印象是什么？

無疑是高貴優(yōu)雅，晶瑩剔透，尤其對于女性來說鉆石是充滿誘惑的，正如1948年戴比爾斯經(jīng)典廣告所宣傳“The diamond is forever”，又有誰不會注意到鉆石的閃光呢。

圖1 金剛石的光彩奪目

金剛石的“閃光點”

金剛石被認(rèn)為世界上最堅硬的物質(zhì)，這就賦予了其在工業(yè)領(lǐng)域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同樣，在新型應(yīng)用領(lǐng)域，金剛石依然十分優(yōu)秀，在高頻大功率器件、光學(xué)窗口、高能粒子探測器、量子信息、生物傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。尤其隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)歷了第一代半導(dǎo)體材料鍺、硅，第二代半導(dǎo)體材料InP、GaAs，第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaN之后，人們逐漸將目光聚焦到具有更大禁帶寬度的氧化鎵、金剛石、氮化鋁等超寬禁帶半導(dǎo)體材料上，金剛石半在導(dǎo)體器件領(lǐng)域綻放光芒。

金剛石憑什么那么強(qiáng)大

金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了最高硬度以外，金剛石還具有半導(dǎo)體材料中最高的熱導(dǎo)率， 為AlN的7.5倍，因此金剛石也被業(yè)界稱為“終極半導(dǎo)體”材料。在高頻、高功率、高溫電子器件，核輻射探測器、光電器件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。正是這些閃光點，讓它在眾多半導(dǎo)體器件材料中脫穎而出。

表1. 金剛石與其他半導(dǎo)體材料特性總結(jié)

場效應(yīng)晶體管

場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor, FET)，是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS-FET)。

金剛石材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于實現(xiàn)有效的半導(dǎo)體摻雜。目前，金剛石摻雜常用的p型和n型摻雜劑，即硼（B）和磷（P）的激活能都較高，室溫下難以應(yīng)用，這嚴(yán)重阻礙了金剛石在半導(dǎo)體電子器件中的應(yīng)用。但在使用氫等離子對金剛石表面進(jìn)行處理并暴露在空氣中后，金剛石表面能夠形成一層二維空穴氣（2DHG）導(dǎo)電層，導(dǎo)電層的載流子濃度在1012~1014 cm-2之間，遷移率在幾十到200 cm2/Vs之間。正是氫終端金剛石表面2DHG的發(fā)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了金剛石在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。目前基于氫終端表面的金剛石已經(jīng)實現(xiàn)了高性能的場效應(yīng)晶體管器件。

MEMS (Mico Electro Mechanical System) 

MEMS是一種機(jī)械電氣性能優(yōu)良的器件，它集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果，可以通過微型化、集成化制成元件和系統(tǒng)以實現(xiàn)新原理、新功能的探索。這將開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域，主要涵蓋傳感、生物、光學(xué)、頻射四大領(lǐng)域。

MEMS技術(shù)是一個新興技術(shù)領(lǐng)域，主要屬于微米技術(shù)范疇。MEMS技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了十多年時間的發(fā)展，已能夠基于現(xiàn)有技術(shù)，用由大到小的技術(shù)途徑制作、發(fā)展出一批新的集成器件，大大提高器件的功能和效率，顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能如同微電子技術(shù)一樣，對科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響。

金剛石是一種極具魅力的納米微機(jī)電系統(tǒng)材料，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有極其重要的地位。因此，《2019第四屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會》金剛石論壇特邀日本國立物質(zhì)材料研究所副所長Yasuo Koide教授于11月26-29日在上海與您面對面交流“金剛石場效應(yīng)晶體管與MEMS器件研究進(jìn)程”，詳細(xì)討論金剛石在半導(dǎo)體器件的發(fā)展，揭開金剛石的神秘面紗。

金剛石論壇部分參考話題

金剛石和碳基薄膜材料在高端制造加工應(yīng)用分論壇

金剛石行業(yè)宏觀現(xiàn)狀

1.高溫高壓合成超硬材料現(xiàn)狀解讀

2.中國超硬材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢解讀

3.人造金剛石珠寶市場發(fā)展解讀 

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金剛石（薄膜）功能材料合成新工藝、新思路

1.高溫高壓合成超硬材料現(xiàn)狀解讀

2.大腔體靜高壓技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)問題研究

3.大單晶金剛石合成設(shè)備及新工藝分享

4.CVD法合成金剛石及摻雜工藝介紹

5.大面積、高質(zhì)量金剛石薄膜合成工藝

6.納米（聚晶）金剛石制備工藝介紹

7.高質(zhì)量金剛石微粉生產(chǎn)及現(xiàn)狀介紹

8.金剛石復(fù)合片的異型加工工藝介紹

9.CBN工具的開發(fā)及應(yīng)用

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金剛石制品及下游應(yīng)用

1.天然、單晶、多晶、聚晶金剛石刀具的開發(fā)及應(yīng)用

2.金剛石線鋸的開發(fā)及在光伏、寶石加工、磁性材料，精密陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用

3金剛石磨粒、磨具及研磨液在精密磨削、研磨、拋光中的應(yīng)用

4金剛石刀具在軸承、汽車零部件、復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用

5金剛石涂層在拉絲模、刀具、紅外窗口中的應(yīng)用

6金剛石工具（刀具、磨具等）在3C產(chǎn)品中的應(yīng)用

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納米金剛石功能材料和器件分論壇

半導(dǎo)體等功能器件

1.金剛石器件整體研究狀況解讀

2.金剛石半導(dǎo)體的新進(jìn)展

3.金剛石和SiC襯底散熱技術(shù)在GaN的中的應(yīng)用

4.金剛石量子傳感技術(shù)

5.金剛石襯底研究

6.納米金剛石的摻雜及其光電性能研究

7.透過納米晶金剛石薄膜提升碳納米管之電子場發(fā)射特性

8.金剛石在電子封裝和相變儲熱領(lǐng)域的研究進(jìn)展

9.金剛石紫外探測器

10.金剛石射頻生長技術(shù)

11.金剛石氮空穴色心研究

12.金剛石磁性傳感器及功率器件

13.納米金剛石的改性及其在催化反應(yīng)中的應(yīng)用研究

14.金剛石高導(dǎo)熱散熱涂層的開發(fā)及應(yīng)用

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環(huán)保和生物醫(yī)用

1.高溫高壓合成超硬材料現(xiàn)狀解讀

2.納米金剛石在腫瘤藥物中的應(yīng)用

3.納米金剛石在基因傳輸和治療中的應(yīng)用

4.納米金剛石生物探針的開發(fā)及應(yīng)用

5.人造（類）金剛石手術(shù)刀具等醫(yī)療器械中的開發(fā)及應(yīng)用

6.類金剛石在生物醫(yī)學(xué)（心血管支架、心臟瓣膜等）上的應(yīng)用

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Workshop系列活動

報名聯(lián)系

超硬材料網(wǎng)：

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