金剛石為何能用來做半導(dǎo)體？

近日，中國科學(xué)院院士、超硬材料國家重點實驗室主任鄒廣田在院士在金剛石產(chǎn)業(yè)大會上分享時表示，金剛石是集優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等特性于一身的超寬禁帶半導(dǎo)體，甚至被一些學(xué)者譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”“終極室溫量子材料”。

“除了禁帶寬度大，金剛石還具有熱導(dǎo)率高、空穴遷移率高、絕緣強(qiáng)度高和介電常數(shù)低等優(yōu)點。”鄒廣田舉例介紹，熱導(dǎo)率高不僅有利于制作高功率放大器，如果以金剛石做芯片，其熱導(dǎo)率也可以有效緩解手機(jī)使用過程中容易發(fā)熱的問題。公開資料顯示，今年年初，使用金剛石的電力控制用半導(dǎo)體開發(fā)取得新進(jìn)展。日本佐賀大學(xué)嘉數(shù)誠教授與精密零部件制造商日本Orbray合作開發(fā)出了用金剛石制成的功率半導(dǎo)體，并以1平方厘米875兆瓦的電力運(yùn)行。

浙商證券王華君等人在此前發(fā)布的研報中表示，半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫，多重特性助推金剛石成下一代半導(dǎo)體材料。金剛石禁帶寬度5.5eV超現(xiàn)有氮化鎵、碳化硅等，載流子遷移率也是硅材料的3倍，同時金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度，且具備優(yōu)異的耐高溫屬性。

“此前，由于其較高的硬度和力學(xué)特性，金剛石也被譽(yù)為‘工業(yè)牙齒’，被廣泛用于地質(zhì)鉆探，非鐵金屬及合金、硬質(zhì)合金、石墨、塑料橡膠、陶瓷和木材等材料的切削加工等領(lǐng)域，也是石油天然氣鉆井、切割鉆頭上的核心部件?！编u廣田表示。

談及行業(yè)發(fā)展，鄒廣田表示，目前我國正在向超硬材料強(qiáng)國邁進(jìn)，并逐步進(jìn)入超硬向多功能發(fā)展的轉(zhuǎn)型時期。鄒廣田建議，一是金剛石產(chǎn)業(yè)要向高端原料和制品發(fā)展，大力提高產(chǎn)品品質(zhì)，并打造一批國際品牌；二是向應(yīng)用廣度發(fā)展，要在耐磨產(chǎn)品領(lǐng)域替代碳化硅和剛玉等普通磨料，在超硬產(chǎn)品領(lǐng)域替代硬質(zhì)合金；三是向納米尺寸發(fā)展，要著力發(fā)展制造、提純、表面修飾等技術(shù)，開發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域，特別是生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

在鄒廣田看來，納米尺寸金剛石未來應(yīng)用領(lǐng)域之廣，不亞于現(xiàn)有傳統(tǒng)超硬材料?！霸谛聭?yīng)用方面，相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)可以向?qū)捊麕О雽?dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展，解決卡脖子技術(shù)難關(guān)?！编u廣田表示，而這也需要進(jìn)一步加強(qiáng)研制新型CVD設(shè)備，為大尺寸、高品質(zhì)金剛石晶圓制備和后硅時代電子學(xué)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

鄒廣田還建議加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，理論與實驗結(jié)合，從源頭上實現(xiàn)0到1的突破，創(chuàng)造更多新型超硬多功能材料，包括研究金剛石生長機(jī)理、新型催化劑和原材料、金剛石生長的詳細(xì)溫壓相圖、不同樣貌金剛石的可控設(shè)備、3D打印金剛石制品新技術(shù)等領(lǐng)域，為我國金剛石產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。