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世界领先:国产2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底实现量产

2024年1月19日

编辑:Ana Hu

中国出海半导体网

 

我国材料科技又一次新突破。

 

据中国出海半导体网了解,前几日,西安交通大学(以下简称西安交大)新闻网消息称,我国科学家成功实现了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产,这一成果达到了世界领先水平。

据悉,金刚石半导体因其超宽禁带(5.45eV)、高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(22 W/cmK)等材料特性,以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga),成为了研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件的理想材料。采用金刚石衬底可以克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈,对于推动 5G/6G 通信、微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域的发展具有重要意义。

然而,长期以来,大尺寸、高品质的单晶金刚石自支撑衬底的制备一直是制约金刚石电子器件发展的关键瓶颈之一。传统的单晶金刚石制备方法存在生长速度慢、成本高、晶体质量差等问题,难以满足大规模产业化应用的需求。

为了解决这一难题,西安交大王宏兴教授团队经过多年的研究和实践,采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化(图1)。团队通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控,提高了异质外延单晶金刚石成品率。衬底表面具有台阶流(step-flow)生长模式(图2),可降低衬底的缺陷密度,提高晶体质量。XRD(004)、(311)摇摆曲线半峰宽分别小于91arcsec和111arcsec(图3),达到世界领先水平。

图1. 西安交大团队研发的2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底

图1. 西安交大团队研发的2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底(*图片来自西安交大新闻网)

图2. 异质外延金刚石光学显微镜照片

图2. 异质外延金刚石光学显微镜照片(*图片来自西安交大新闻网)

图3. XRD测试结果

图3. XRD测试结果(*图片来自西安交大新闻网)

 

该成果的产业化应用前景非常广阔,可以应用于金刚石电子器件、光电子器件、量子计算等领域。这一成果的取得,将进一步推动我国在半导体领域的科技创新和产业发展,提升我国在国际上的竞争力和影响力。

数据显示,截至2023年7月,全球金刚石单晶衬底市场规模约为5.6亿美元,预计到2026年将达到9.1亿美元,年复合增长率约为15.1%。其中,中国市场规模约为1.2亿美元,预计到2026年将达到2.1亿美元,年复合增长率约为16.8%。

我国科学家实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底量产的成果,不仅为我国半导体产业的发展注入了新的动力,也为全球金刚石电子器件的发展提供了重要的技术支持。中国出海半导体网相信在未来,我国在半导体领域的科技创新和产业发展将取得更加辉煌的成就。

值得一提的是,2023年11月份的时候,华为与哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)曾联合申请的专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》,当时就引发了半导体市场的关注。根据专利摘要显示,该发明涉及芯片制造技术领域,实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。

上市公司中,目前也已有公司的金刚石半导体产品应用于半导体产业链,例如,中兵红箭、黄河旋风、力量钻石、国机精工等。

中兵红箭旗下的全资子公司中南钻石是世界最大的超硬材料厂商。该公司在2023年 12 月时的投资者互动平台上表示,他们正在研发金刚石半导体衬底材料,目前尚处于实验室阶段,同时下游半导体应用领域相关的器件技术也在试验论证阶段。

力量钻石则表示,其公司目前部分产品已广泛应用于第三代半导体的切、磨、抛加工,同时也在密切关注金刚石半导体的发展趋势。

国机精工在金刚石半导体方面的规划分为三个阶段。第一阶段产品为宝石级大单晶,目前已实现商业化;第二阶段产品是散热材料、光学窗口片等,预计在未来 2-3 年内实现商业化;第三阶段是半导体材料,属于远期规划。