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”

金剛石被認為世界上最堅硬的物質，這就賦予了其在工業(yè)領域中重要地位，例如用于切割、研磨等。同樣，在新型應用領域，金剛石依然十分優(yōu)秀，在高頻大功率器件、光學窗口、高能粒子探測器、量子信息、生物傳感器等領域具有巨大的應用潛力。尤其隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，在經歷了第一代半導體材料鍺、硅，第二代半導體材料InP、GaAs，第三代半導體材料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體材料上，金剛石半在導體器件領域綻放光芒。

金剛石憑什么那么強大

金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導體材料還要大。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，金剛石還具有半導體材料中最高的熱導率， 為AlN的7.5倍，因此金剛石也被業(yè)界稱為“終極半導體”材料。在高頻、高功率、高溫電子器件，核輻射探測器、光電器件、微機電系統(tǒng)（MEMS）等領域表現(xiàn)出巨大的應用潛力。正是這些閃光點，讓它在眾多半導體器件材料中脫穎而出。

表1. 金剛石與其他半導體材料特性總結

場效應晶體管

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

金剛石材料在半導體領域應用的關鍵在于實現(xiàn)有效的半導體摻雜。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，室溫下難以應用，這嚴重阻礙了金剛石在半導體電子器件中的應用。但在使用氫等離子對金剛石表面進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）導電層，導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)，極大地促進了金剛石在半導體器件中的應用。目前基于氫終端表面的金剛石已經實現(xiàn)了高性能的場效應晶體管器件。

MEMS (Mico Electro Mechanical System) 

MEMS是一種機械電氣性能優(yōu)良的器件，它集中了當今科學技術發(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領域，主要涵蓋傳感、生物、光學、頻射四大領域。

MEMS技術是一個新興技術領域，主要屬于微米技術范疇。MEMS技術已經經歷了十多年時間的發(fā)展，已能夠基于現(xiàn)有技術，用由大到小的技術途徑制作、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技術的發(fā)展有可能如同微電子技術一樣，對科學技術和人類生活產生革命性的影響。

金剛石是一種極具魅力的納米微機電系統(tǒng)材料，在半導體領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業(yè)展覽會》金剛石論壇特邀日本國立物質材料研究所副所長Yasuo Koide教授于11月26-29日在上海與您面對面交流“金剛石場效應晶體管與MEMS器件研究進程”，詳細討論金剛石在半導體器件的發(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 

…… 

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.大腔體靜高壓技術的發(fā)展與相關問題研究

3.大單晶金剛石合成設備及新工藝分享

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.高質量金剛石微粉生產及現(xiàn)狀介紹

8.金剛石復合片的異型加工工藝介紹

9.CBN工具的開發(fā)及應用

……

金剛石制品及下游應用

1.天然、單晶、多晶、聚晶金剛石刀具的開發(fā)及應用

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

3金剛石磨粒、磨具及研磨液在精密磨削、研磨、拋光中的應用

4金剛石刀具在軸承、汽車零部件、復合材料加工領域的應用

5金剛石涂層在拉絲模、刀具、紅外窗口中的應用

6金剛石工具（刀具、磨具等）在3C產品中的應用

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納米金剛石功能材料和器件分論壇

半導體等功能器件

1.金剛石器件整體研究狀況解讀

2.金剛石半導體的新進展

3.金剛石和SiC襯底散熱技術在GaN的中的應用

4.金剛石量子傳感技術

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域的研究進展

9.金剛石紫外探測器

10.金剛石射頻生長技術

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中的應用研究

14.金剛石高導熱散熱涂層的開發(fā)及應用

……

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用

3.納米金剛石在基因傳輸和治療中的應用

4.納米金剛石生物探針的開發(fā)及應用

5.人造（類）金剛石手術刀具等醫(yī)療器械中的開發(fā)及應用

6.類金剛石在生物醫(yī)學（心血管支架、心臟瓣膜等）上的應用

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Workshop系列活動

報名聯(lián)系

超硬材料網：

劉小雨：13837111415

DT新材料

王僑婷：13649160039

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