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【成果转化】英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化

西安交大电信学院王宏兴团队所开发的英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化项目简介:金刚石单晶集电学、光学、力学和热学等优异特性于一体,在高温、高频、高效大功率电子器件、生物传感器、日盲紫外和粒子闪烁体探测与成像、光电器件、航空航天和武器系统等方面极具应用前景,被誉为“终极半导体”。金刚石电子器件相比其他半导体器件具有高效率(约提高 18%)、低损耗(约降低 30%)、体积小和更高的集成度、而且无需冷却系统。其耗能大约为现有器件的 1/5-1/3。

目前日、美、欧、中已纷纷投入巨资、并成立相关组织和产学研机构推进金刚石单晶材料及其电子器件的研发与应用。英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化,可以极大地推进我国半导体的革命性变革,实现我国微电子行业的跨越式发展,达到国际先进水平。

英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化

英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化

一、产品性能优势

(1)基本原理及关键技术内容

  • 单晶金刚石半导体衬底外延生长工艺通过研究金刚石 MPCVD 生长动力学过程的异常成核及以(111)配向的粒子为中心的 Hillock 形成机理;
  • 优化设计 MPCVD 反应腔体结构,实现微波等离子体的大面积、高密度和均匀化;
  • 优化反应腔室的热场分布及气流分布;
  • 利用单晶金刚石晶体的等效晶面特征,研究外延生长过程中的横向生长(Lateral over Growth)技术,采用相互垂直晶面的外延生长方式,获得10х10mm2 以上面积的金刚石衬底;
  • 研究高能离子注入技术在金刚石浅表层下形成非金刚石层的有关规律及方法,获得表面层可分离的同质金刚石单晶衬底,为金刚石单晶的“克隆”创造条件;
  • 研究不同晶向的衬底接触部的晶体融合机理及规律,利用拼凑融合方式外延生长并形成更大面积的单晶衬底,满足 1 英寸大面积单晶金刚石衬底的量产需求。

(2)创新

  • 采用等晶面及镶嵌拼凑融合的方法形成一套大面积单晶金刚石生长的工艺规范,可生产 1 英寸(25.4х25.4mm)以上单晶金刚石衬底及薄膜产品;
  •  获得采用克隆技术量产大面积单晶金刚石的整体技术。

二、市场前景及应用

按照日本相关公司的预测,随着金刚石半导体的发展,在2030年,中国的市场规模达到100亿美元。由于金刚石生产中的主要成本是甲烷、氢气和消耗电力的费用,成本较低,经济效益显著。团队拥有MPCVD设备全套自主知识产权,且制造出的单晶金刚石衬底材料,功率密度已超越日本、意大利等国家,在尺寸上,该团队可提供厘米级(1cm*1cm)产品,也为国际先进水平。国际上虽然有英寸级、2英寸级产品出现,但仍处于科研实验阶段,产量极低,无法产业化应用。

本项目开发和产业化的产品及其市场应用包括以下几个方面:

(1)金刚石单晶衬底

单晶金刚石衬底“克隆”生长(左:剥离前;右:剥离后)

单晶金刚石衬底“克隆”生长(左:剥离前;右:剥离后)

大面积单晶金刚石衬底主要为开发和产业化以下的金刚石电子器件提供外延生长衬底:

  • 大功率金刚石电力电子器件:其可替代现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源,大幅减小转换器件尺寸,而且无需散热,实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降,可靠性大幅提升。金刚石电子器件的耗能将是现在使用的器件的1/3-1/5。
  • 超高频大功率金刚石电子器件(微波、毫米波雷达):可用在火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等领域。可替代现在使用的行波管,使得武器系统和通信系统更加小型化和可靠性的大幅提高,大幅提高通信系统的数据传输速率,大幅降低卫星及其它航天器的重量、发射成本和抗辐照能力。
  • 应用于集成电路芯片:开发基于金刚石的下一代集成电路芯片,彻底解决集成电路散热瓶颈问题,使得集成电路更加大规模化,更加高速化。
  • 金刚石紫外LED、LD:可使用在环保与医用杀菌,高密度数据储存等方面。>DNA等生物传感器:利用金刚石与生物细胞的亲和性及其生物传感器的高灵敏性,开发各种金刚石生物传感器;同时,也可以制成生物武器探测器等。>日盲紫外探测器和超快粒子辐射闪烁体探测器:应用于导弹制导与预警、深空x光通信。
  • 其他的电子器件和传感器。

(2)战斗机和其他武器系统的抗高能微波及耐磨视窗材料

利用金刚石的远红外到深紫外的高透光特性,高导热特性以及高强度特性,可以制成高功率微波武器的窗口、长程导胆窗口和探测器的窗口。

(3)超硬材料工具方面

金刚石具有最高的导热率和杨氏模量,是迄今为止最硬的物质,这就使得金刚石在刀具等工具行业里有着广泛的应用。比如美国苹果公司的iPhone手机的加工就需要用到大量的单晶金刚石,还有石油勘探所用钻头,精密加工刀头,手术刀等等。

(4)微波等离子体CVD设备

以上几个方面的大量应用就需要用到MPCVD设备。因此,在金刚石电子器件,军工市场展开之后,MPCVD的需求也会大幅攀升。

(5)电力电子器件

(6)培育钻石

三、技术成熟度

产业化

四、合作方式

面议

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