金刚石薄膜制备新方法问世，钻石芯片商用化加速推进

金刚石薄膜制备新方法问世，钻石芯片商用化加速推进

近日，半导体领域迎来重大突破，北京大学东莞光电研究院联合南方科技大学、香港大学组成的研究团队，成功开发出一种全新的金刚石薄膜制备方法，使得金刚石芯片的商用化更接近现实，这一成果引发了行业内的广泛关注。

传统制备方法遇瓶颈，限制金刚石芯片发展

一直以来，金刚石以其卓越的载流子迁移率、导热性、介电击穿强度以及从红外到深紫外的超宽带隙和光学透明度，被誉为 “终极半导体材料”。然而，此前金刚石薄膜的制备技术存在诸多限制，制约了金刚石芯片的大规模商用。

传统的超薄金刚石薄膜制备方法主要有切片大块金刚石和在异质基底上通过化学气相沉积（CVD）生长等，但这些方法都存在一定的局限性。CVD 法无法获得与硅基半导体技术完全兼容的大面积、分层形式的金刚石膜，而切片法虽能产生高质量的单晶金刚石，但所获膜的尺寸和表面粗糙度受激光和聚焦离子束处理的限制，不适用于工业应用。

胶带剥离法横空出世，开启金刚石薄膜制备新篇章

近日，北京大学东莞光电研究院联合南方科技大学、香港大学组成的研究团队，成功开发出一种全新的金刚石薄膜制备方法。

此次研究团队开发的新方法是使用胶带进行边缘暴露剥离，从而生产超薄和可转移的多晶金刚石膜。通过微波等离子体 CVD 方法在 Si 基底生长薄层金刚石薄膜，控制生长时间获得不同厚度的薄膜，再用划线笔在硅片背面刻画边缘暴露界面，最后将透明胶带贴在薄膜顶部并沿切割边缘拉伸，即可剥离得到完整的大面积金刚石薄膜，如厚度 1μm 的完整 2 英寸金刚石薄膜，并且对 200 - 800nm 不同厚度的金刚石薄膜同样适用，甚至市售的在 Si 或者 Mo 基底上生长的金刚石薄膜也能用此方法剥离。

新方法制备薄膜性能卓越，展现广阔应用前景

该方法制备的金刚石薄膜具有诸多优异性能。

在光学方面，剥离得到的 2 英寸金刚石薄膜具有优异的光学透光性；在结构方面，具有良好的完整性，其电阻、导热性等数值达到金刚石单晶样品的水平，如在 450nm 的折射率为 2.36，电阻为 10¹⁰Ω，导热性为 1300W m⁻¹K⁻¹。此外，新制样品虽存在部分非金刚石的 sp² 碳，但这并不影响其整体性能，且通过测试发现，剥离前后的电阻基本不变，在 275nm UV 光照射下能产生光电流，芯片阵列的特定单元在 UV 开 / 关循环过程中具有稳定的信号，表明其具有较高的完整性和高质量，在光探测器件性能方面表现出色。

值得一提的是，这种金刚石薄膜还具有超平整和超柔性的特点。其表面粗糙度极低，如厚度 1μm 的金刚石薄膜的埋藏表面粗糙度可达 Ra = 0.952nm，当采用更加光滑的硅晶体作为生长基底时，可获得更加平整的埋藏表面，粗糙度低至 Ra = 0.612nm，这种超平整的表面能够用于电子束光刻和等离子体刻蚀进行精确纳米制备，在金刚石纳米光子学领域展现出巨大潜力。同时，该薄膜还具有优异的柔性，4μm 厚度的样品能够弯折 360°，弯折成半径为 10mm - 2mm 范围内的圆柱体，且在一定应力下能够保持稳定的导电性和变形性能，如能承受 4.08% 的拉伸应力，在 2% 的应力下能够稳定 10000 次循环的变形而不损坏，并成功构筑了应力传感器阵列用于肌肉变形变化测试，体现了其在可穿戴电子学器件等领域的功能性应用。

商用化机遇崭露头角，多领域潜力巨大

这一制备方法的出现，为金刚石芯片的商用化带来了新的契机。金刚石芯片具有诸多优势，在多个领域都有着广阔的应用前景。

在 5G 基础设施中，金刚石基板可为高功率 5G 元件实现高效散热，确保运行稳定性并防止过热，满足 5G 数据流量指数级增长对设备管理高频率下产生的大功率密度的需求。与传统的硅基解决方案相比，金刚石衬底与氮化镓或碳化硅配对，可制造出工作电压更高、频率更高、能效更高的功率器件，在电动汽车、可再生能源的电源逆变器、工业电机驱动器、大功率激光器和先进电源等领域的应用日益广泛，能够延长这些设备的使用寿命和可靠性，提高整体效率，对于空间受限的应用如电动汽车等至关重要。

从市场角度来看，据 Virtuemarket 数据，2023 年全球金刚石半导体基材市场价值为 1.51 亿美元，预计到 2030 年底市场规模将达到 3.42 亿美元，2024 年 - 2030 年的预测复合年增长率为 12.3%，亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场。随着金刚石薄膜制备新方法的出现，有望进一步推动市场的增长，加速金刚石芯片的商用化进程。

目前，全球各大芯片公司也正加大力度投入对金刚石的研究。如英伟达率先开展钻石散热 GPU 实验，性能是普通芯片的三倍；华为也公布钻石散热专利。国外在金刚石芯片的研发和应用方面也取得了一定进展，如日本佐贺大学与日本 Orbray 合作开发出了用金刚石制成的功率半导体，并以 1 平方厘米 875 兆瓦的电力运行，美国的 Diamond Foundry 成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆。

商用化挑战犹存，技术突破待续

我国在人造金刚石领域产量已占全球总产量 90% 以上，具备明显的产业链优势，但在功能性应用的高端领域，尤其是金刚石芯片的开发，与国外相比还存在一定差距。

金刚石芯片的商用化仍面临一些挑战，如成本较高、金刚石晶片尺寸较小、离子注入法掺杂困难以及电荷载流子活化效率在室温下降低等问题。但随着技术的不断进步和各方的共同努力，这些问题有望逐步得到解决。

总之，金刚石薄膜制备新方法的出现是半导体领域的一个重要里程碑，它使金刚石芯片的商用化迈出了关键一步，为未来电子、光学等多个领域的发展带来了新的希望和机遇，我们期待着金刚石芯片在不久的将来能够广泛应用，推动科技的进一步发展。