金刚石为何被称为“终极半导体材料”？

金刚石为何被称为“终极半导体材料”？

金刚石，这种自然界中最硬的物质，近年来在半导体领域的应用引起了广泛关注。凭借其卓越的电学、光学、力学、热学和化学特性，金刚石被誉为"终极半导体材料"。本文将详细介绍金刚石在IGBT功率模块散热、导弹红外窗口以及量子计算等领域的应用，展现其作为下一代半导体材料的巨大潜力。

IGBT功率模块下一代散热材料—金刚石热沉片

新能源汽车的电机驱动部分，最核心的元件就是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。电动汽车用IGBT模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求。为大幅提高IGBT功率密度、散热性能与长期可靠性，高效的散热方案尤为重要。

金刚石热沉片

金刚石材料的热导率和电学特性优势十分显著，没有任何明显短板。其热导率可达2000W/m·K，是铜、银的5倍，同时又是良好的绝缘体。这使得金刚石器件拥有更高的功率处理能力，采用金刚石微波功率器件的电子系统有望摆脱庞大笨重的散热模块而实现轻量化、小型化。此外，在热导率要求1000~2000W/(m·K)之间，金刚石是首选以及唯一可选热沉材料。对于IGBT功率模块的散热问题，金刚石热沉片的超高热导率可以实现高效散热。

导弹红外窗口—金刚石光学窗口

金刚石光学窗口是一种可在极端条件下使用的一类光学器件。导弹导引头的关键元件之一是保护光学与焦平面阵列的多光谱窗。高热传导性是其中成功的重要因素。因为与空气的剧烈摩擦会导致窗口温度的升高，引起红外探测器的信噪比降低，最终会使窗口不透光。因此，窗口需要冷却。已经验证的一种冷却窗口的方法是外膜冷却，这种方法要求窗口必须有强大的热传导性。

所有用于窗口制造的备选材料中，金刚石表现最佳。下表为典型的红外材料的一些关键特性与金刚石的比较，从表中可以很明显的看出金刚石的热膨胀系数最小，而热导率最高。

量子计算领域应用—量子金刚石

金刚石NV色心是金刚石晶体中的一种缺陷，由一个取代碳原子的氮原子和相邻一个空位（碳原子缺失）组成。NV色心有六个电子，两个来自氮原子，三个来自与空位相邻的碳原子，另外一个是俘获的（来自施主杂质的）电子。

具有NV中心缺陷的金刚石碳晶格示意图

1997年，德国开姆尼茨工业大学的研究证明，可以操纵金刚石的单个NV缺陷并在室温下提供光学输出。这一发现引发了金刚石量子技术领域。利用这种特性可以制作金刚石磁性传感器，其中NV缺陷的光学输出的亮度取决于磁场强度，从而提出了许多使用NV缺陷的新应用。金刚石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主，是因为其晶体结构，它的超宽禁带（5.5eV）可以在光学状态下通过跃迁能量来容纳一系列缺陷，从而使这些缺陷可以用现成的激光进行处理。

金刚石磁力测量仪原型

目前中国正在向超硬材料强国迈进，并逐步进入超硬向多功能发展的转型时期。中国超硬材料专家认为纳米尺寸金刚石未来应用领域之广，不亚于现有传统超硬材料，然而这也需要进一步加强研制新型CVD设备，为大尺寸、高品质金刚石晶圆制备和后硅时代电子学的发展奠定坚实基础。

化合积电深耕宽禁带半导体材料行业，用MPCVD法制备大尺寸、高品质金刚石，目前已有成熟产品:金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等，其中金刚石热沉片热导率1000-2200W/(m.k)，晶圆级金刚石表面粗糙度Ra<1nm，目前已应用于航空航天、高功率半导体激光器、光通信、芯片散热、核聚变等领域。