【成果推介】2 英寸級(jí)單晶金剛石襯底及其關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化

2019-07-04 15:20 億宏磨具次閱讀

1. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

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金剛石單晶集電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等優(yōu)異特性于一體，在高溫、高頻、高效大功率電子器件、生物傳感器、日盲紫外和粒子閃爍體探測(cè)與成像、光電器件、航空航天和武器系統(tǒng)等方面極具應(yīng)用前景，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。金剛石電子器件相比其他半導(dǎo)體器件具有高效率（約提高18%）、低損耗（約降低30%）、體積小和更高的集成度、而且無需冷卻系統(tǒng)。其耗能大約為現(xiàn)有器件的1/5-1/3。

目前日、美、歐、中已紛紛投入巨資、并成立相關(guān)組織和產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)推進(jìn)金剛石單晶材料及其電子器件的研發(fā)與應(yīng)用。英寸級(jí)單晶金剛石襯底及其關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，可以極大地推進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體的革命性變革，實(shí)現(xiàn)我國(guó)微電子行業(yè)的跨越式發(fā)展，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2. 產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)

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（1）基本原理及關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容

通過單晶金剛石半導(dǎo)體襯底外延生長(zhǎng)工藝研究金剛石MPCVD生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程；

優(yōu)化設(shè)計(jì)MPCVD反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微波等離子體的大面積、高密度和均勻化；

優(yōu)化反應(yīng)腔室的熱場(chǎng)分布及氣流分布；

利用單晶金剛石晶體的等效晶面特征，研究外延生長(zhǎng)過程中的橫向生長(zhǎng)（Lateral over Growth）技術(shù)，采用相互垂直晶面的外延生長(zhǎng)方式，獲得10х10mm2以上面積的金剛石襯底；

研究高能離子注入技術(shù)在金剛石淺表層下形成非金剛石層的有關(guān)規(guī)律及方法，獲得表面層可分離的同質(zhì)金剛石單晶襯底，為金剛石單晶的“克隆”創(chuàng)造條件；

研究不同晶向的襯底接觸部的晶體融合機(jī)理及規(guī)律，利用拼湊融合方式外延生長(zhǎng)并形成更大面積的單晶襯底，滿足1英寸大面積單晶金剛石襯底的量產(chǎn)需求。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

采用等晶面及鑲嵌拼湊融合的方法形成一套大面積單晶金剛石生長(zhǎng)的工藝規(guī)范，可生產(chǎn)1英寸（25.4х25.4mm）以上單晶金剛石襯底及薄膜產(chǎn)品。

獲得采用克隆技術(shù)量產(chǎn)大面積單晶金剛石的整體技術(shù)。

3. 市場(chǎng)前景及應(yīng)用

按照日本相關(guān)公司的預(yù)測(cè)，隨著金剛石半導(dǎo)體的發(fā)展，在2030年，中國(guó)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到100億美元。由于金剛石生產(chǎn)中的主要成本是甲烷、氫氣和消耗電力的費(fèi)用，成本較低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。團(tuán)隊(duì)擁有MPCVD設(shè)備全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且制造出的單晶金剛石襯底材料，功率密度已超越日本、意大利等國(guó)家，在尺寸上，該團(tuán)隊(duì)可提供厘米級(jí)（1cm*1cm）產(chǎn)品，也為國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)際上雖然有英寸級(jí)、2英寸級(jí)產(chǎn)品出現(xiàn)，但仍處于科研實(shí)驗(yàn)階段，產(chǎn)量極低，無法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

本項(xiàng)目開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品及其市場(chǎng)應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

（1）金剛石單晶襯底

大面積單晶金剛石襯底主要為開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化以下的金剛石電子器件提供外延生長(zhǎng)襯底：

大功率金剛石電力電子器件：其可替代現(xiàn)有的Si、SiC等電力轉(zhuǎn)換器件和開關(guān)電源，大幅減小轉(zhuǎn)換器件尺寸，而且無需散熱，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金剛石電子器件的耗能將是現(xiàn)在使用的器件的1/3-1/5。

超高頻大功率金剛石電子器件（微波、毫米波雷達(dá)）：可用在火控武器系統(tǒng)、雷達(dá)、高速無線通信、火箭及航空航天等領(lǐng)域?？商娲F(xiàn)在使用的行波管，使得武器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，大幅降低衛(wèi)星及其它航天器的重量、發(fā)射成本和抗輻照能力。

應(yīng)用于集成電路芯片：開發(fā)基于金剛石的下一代集成電路芯片，徹底解決集成電路散熱瓶頸問題，使得集成電路更加大規(guī)?；?，更加高速化。

金剛石紫外LED、LD：可使用在環(huán)保與醫(yī)用殺菌，高密度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等方面。

DNA等生物傳感器：利用金剛石與生物細(xì)胞的親和性及其生物傳感器的高靈敏性，開發(fā)各種金剛石生物傳感器；同時(shí)，也可以制成生物武器探測(cè)器等。

日盲紫外探測(cè)器和超快粒子輻射閃爍體探測(cè)器：應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)與預(yù)警、深空x光通信。

其他的電子器件和傳感器。

（2）戰(zhàn)斗機(jī)和其他武器系統(tǒng)的抗高能微波及耐磨視窗材料

利用金剛石的遠(yuǎn)紅外到深紫外的高透光特性，高導(dǎo)熱特性以及高強(qiáng)度特性，可以制成高功率微波武器的窗口、長(zhǎng)程導(dǎo)膽窗口和探測(cè)器的窗口。

（3）超硬材料工具方面

金剛石具有最高的導(dǎo)熱率和楊氏模量，是迄今為止最硬的物質(zhì)，這就使得金剛石在刀具等工具行業(yè)里有著廣泛的應(yīng)用。比如美國(guó)蘋果公司的iPhone手機(jī)的加工就需要用到大量的單晶金剛石，還有石油勘探所用鉆頭，精密加工刀頭，手術(shù)刀等等。

（4）微波等離子體CVD設(shè)備

以上幾個(gè)方面的大量應(yīng)用就需要用到MPCVD設(shè)備。因此，在金剛石電子器件，軍工市場(chǎng)展開之后，MPCVD的需求也會(huì)大幅攀升。

（5）電力電子器件（寬緊帶、耐高壓、抗擊穿）