培育鉆石打造“終極半導體材料”培育鉆石單晶及其制品是實施超精密加工、智能電網(wǎng)等國家重大戰(zhàn)略，以及智能制造、5G通信等產業(yè)集群升級的重要物質基礎，意義重大。尤其是5G通信時代迅速展開，培育鉆石單晶材料在半導體和高頻功率器件中的應用日益突出?；谂嘤@石的半導體技術可以提高功率密度，并為消費者創(chuàng)造更快、更輕、更簡單的設備?；谂嘤@石的電子產品或將比硅芯片更便宜、更薄，可能成為節(jié)能電子產品的行業(yè)標準。與此同時，新一代半導體材料及設備也是國產芯片繞開先進制程封鎖的重要技術節(jié)點。

       相關研究顯示，高品質大尺寸超純CVD培育鉆石可用于珠寶首飾、精密刀具、光學窗口、芯片熱沉、半導體及功率器件等高端先進制造業(yè)及消費領域。隨著半導體功率器件對原材料性能要求不斷提升，培育鉆石優(yōu)異的物理特性將會為其在特定場景創(chuàng)造出應用空間。

       可用于半導體的培育鉆石主要通過微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)技術路徑實現(xiàn)。在培育鉆石的各種生產方法中，MPCVD無極放電、無污染、外延可控性強，在大尺寸、高純度培育鉆石制備與摻雜研究方面優(yōu)勢更明顯，因此培育鉆石半導體材料大多通過MPCVD技術路徑。

       CVD法合成培育鉆石呈板狀，純凈度高，適宜5ct以上培育鉆石合成。CVD法培育鉆石可通過晶圓拼接方式制作大面積單晶晶圓，作為半導體芯片襯底可完全解決散熱問題及利用培育鉆石的多項超級優(yōu)秀的物理化學性能。培育鉆石禁帶寬度達到5.5eV，由于具有載流子遷移率高、載流子飽和漂移速率大、擊穿場強大等性能，基于耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重特性，培育鉆石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被行業(yè)譽為“終極半導體材料”。目前，國內已經(jīng)開發(fā)出相關技術，能獲得1～6英寸單晶培育鉆石外延 ，相當于能生長出培育鉆石晶條，還能切出1～6英寸培育鉆石襯底，并且在此基礎上能沉積出培育鉆石同質外延。

面向5G和新能源時代，培育鉆石打造新一代封裝基板

       隨著5G通訊的迅速發(fā)展，5G時代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，引起這些部位發(fā)熱量的急劇增加。在新能源汽車領域，目前大功率、高電流密度是IGBT芯片的發(fā)展趨勢，這勢必會造成電子元器件過熱。研究數(shù)據(jù)表明，芯片表面溫度達到70~80℃時，溫度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超過55%的電子設備的失效形式是中溫度過高引起的長時間運行累積的熱量若不及時散發(fā)出去的話，會嚴重影響5G基站的通訊信號以及其使用壽命。因此，散熱是當前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI和物聯(lián)網(wǎng)等領域急需解決的問題。

       要解決散熱問題，除了采用更高效的冷卻技術外，研制出熱導率大于400w/( mK )且膨脹系數(shù)與半導體材料相匹配的新型輕質電子封裝材料迫在眉睫?；迨锹阈酒庋b中熱傳導的關鍵環(huán)節(jié)。隨著微電子技術的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高，要求具有更有的熱導率、更匹配的熱膨脹系數(shù)以及更好的穩(wěn)定性。目前，各種新型封裝基板材料已成為各大廠競相研發(fā)的熱點，其中培育鉆石作為新一代基板材料正得到愈來愈多的關注。

       封裝基板材料的要求是:高電阻率、高熱導率、低介電常數(shù)、介電損耗、與硅和砷化鎵有良好的熱匹配性、表面平整度高、有良好的機械性能及易于產業(yè)化生產等。早在1929年德國西門子公司成功研制Al2O3陶瓷后，已成為目前產量最多，應用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù) (7.2×10-6/℃) 和介電常數(shù) (9.7) 相對Si單晶而言偏高, 熱導率 (15-35W/ (m·K) , 96瓷) 仍然不夠高, 導致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。因此, 開發(fā)高熱導率、性能更為完善的基片材料成為大勢所趨。隨之高導熱陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、培育鉆石逐步進入市場之中。

       培育鉆石是目前已知自然界中熱導率最高的物質，單晶培育鉆石的熱導率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)約為1.1×10-6/℃ ，在半導體、光學等方面具有很多優(yōu)良特性，其優(yōu)勝于其他陶瓷基板材料數(shù)十倍甚至上百倍的熱導率，讓許多大廠紛紛投入研究。

       培育鉆石是一種熱導率很高，散熱性非常好的基板材料，在較高溫度環(huán)境下應用前景廣闊,是制造低功耗、高功率密度器件的半導體材料，其巨大的潛力吸引著越來越多的研究者投身其中。未來隨著材料、器件等各方面問題的不斷解決，培育鉆石的潛力將逐漸得到開發(fā)，滿足未來半導體行業(yè)的需求，并在半導體封裝材料中占據(jù)一席之地。