當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開啟疫情期間知識(shí)分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱。
本期，極智課堂邀請(qǐng)到濟(jì)南金剛石科技有限公司董事長、山東大學(xué)教授王篤福帶來了題為“金剛石晶體材料生長及應(yīng)用”的精彩主題分享。
一、人造金剛石概況
金剛石：碳原子以SP3雜化軌道與另外4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體。
1．發(fā)展歷史
1954年美國通用電氣成功在高溫、高壓條件下合成出人造金剛石，1970年利用溫差法生長出克拉級(jí)寶石金剛石；
1963年中國首次用靜壓法合成出人造金剛石；1965年鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)安裝成功；
1985年日本住友電氣公司實(shí)現(xiàn)克拉級(jí)優(yōu)質(zhì)金剛石單晶的生產(chǎn)；
1996年戴比爾斯用1000小時(shí)合成出25CT優(yōu)質(zhì)Ib型金剛石單晶；
1996年美國阿波羅金剛石創(chuàng)始人提出CVD金剛石，2003年推出首飾級(jí)CVD金剛石產(chǎn)品；
1998年美國卡內(nèi)基地質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室開始CVD單晶金剛石合成；2002年元素六公司開始用CVD法生長單晶金剛石；
2014年俄羅斯NDT公司用HPHT法生產(chǎn)出34CT的IIa型金剛石單晶；
2．國內(nèi)金剛石產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
2015年濟(jì)南金剛石正式產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大尺寸金剛石，單重最大10CT。
2015年中國的金剛石產(chǎn)量超過100億克拉，占世界總產(chǎn)量的90%以上，但主要是小于1mm的磨料級(jí)金剛石，占據(jù)產(chǎn)業(yè)的最低端市場；
以華晶、黃河、中南為代表的磨料企業(yè)，可以生產(chǎn)1.2-1.8mm無色單晶和4*4mmIb型片狀單晶；
目前濟(jì)南金剛石、中南鉆石可以生產(chǎn)10CT以上金剛石單晶體，切片尺寸可以達(dá)到10*10mm，為半導(dǎo)體基礎(chǔ)應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)條件。
近幾年國內(nèi)CVD單晶生長有了快速發(fā)展和進(jìn)步，上海征世、杭州超然、寧波晶鉆等公司生長的金剛石單晶體尺寸可以達(dá)到10mm*10mm以上。
3．半導(dǎo)體應(yīng)用及研究進(jìn)展
金剛石單晶材料作為“終極半導(dǎo)體”材料，在高頻、高功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力，目前主要受制于金剛石單晶尺寸太小。
2013年8月日本國家先進(jìn)工業(yè)科技研究所（AIST）和國立材料研究所（NIMS）的科學(xué)家們已經(jīng)成功研制出了耐高壓（10Kv）真空電力開關(guān)并順利進(jìn)行了試驗(yàn)；該技術(shù)利用了金剛石半導(dǎo)體材料，目前尚屬世界首例，器件體積可縮小到原來的1/10。
2014年5月美國雷神公司使用金剛石替代碳化硅（SiC）作為GaN器件的襯底研制出金剛石基GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），證明金剛石基GaN晶體管功率密度比SiC基GaN器件增加3倍，克服了阻礙氮化鎵器件一進(jìn)步發(fā)展的主要障礙。
2014年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所宣布研制出250度高溫下5A工作SBD，反向截止電壓大于10Kv。
2016年下半年俄羅斯研發(fā)出第一臺(tái)以金剛石為存儲(chǔ)器的量子計(jì)算機(jī)。
2020年美國佐治亞理工學(xué)院與日本明星大學(xué)和早稻田大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出“表面激活粘合”（surface-activatedbonding）技術(shù)，能夠在室溫環(huán)境下將氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料與金剛石等高導(dǎo)熱材料集成，提升器件散熱能力，這有可能加快推進(jìn)金剛石在半導(dǎo)體應(yīng)用中的產(chǎn)業(yè)化。
4．工具類應(yīng)用--大尺寸、高硬度
金剛石作為已知最硬的材料，理論上可以加工切削任何材料，制成工具主要用于非鐵基合金、石材和陶瓷材料的加工，在車刀、石油鉆頭、切割工具等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。全球金剛石工具市場規(guī)模超過200億美元，且應(yīng)用領(lǐng)域保持20%以上的年增長率。
5．光學(xué)類應(yīng)用--大尺寸、頂級(jí)顏色
獨(dú)特的光學(xué)性能（從紫外到微波頻段廣域透光）和高的熱導(dǎo)率以及低的熱膨脹系數(shù)使其成為極好的光學(xué)窗口材料，在導(dǎo)彈頭罩、雷達(dá)窗口等方面具有極大的優(yōu)勢；也可作為高能物理研究的探測材料以及高功率器件的熱沉和窗口材料。
6．功能性零件應(yīng)用--大尺寸、高質(zhì)量
金剛石機(jī)械零件：將金剛石直接加工成工業(yè)機(jī)械零件或生長CVD薄膜提高耐磨能力，延長零件壽命。
人工關(guān)節(jié)：在人工關(guān)節(jié)表面增加金剛石薄膜，改善部件性能和壽命。
二、單晶材料生長
天然金剛石稀缺，成本昂貴，滿足不了工業(yè)化要求。人工合成大尺寸金剛石主要有高溫高壓法（HPHT）和化學(xué)氣象沉積法（CVD）。
1.HPHT法原理
HPHT法是人工模擬天然鉆石生長條件，在6.7GPa和1500度高溫下輔以催化劑等實(shí)現(xiàn)石墨相到金剛石相的轉(zhuǎn)變，控溫控壓和形成溫度梯度是合成的關(guān)鍵。
2. HPHT法產(chǎn)品
3. HPHT法關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)1：維持晶體生長恒定的壓力曲線
關(guān)鍵技術(shù)2：合理的溫度梯度保證
關(guān)鍵技術(shù)3：溫度場的設(shè)計(jì)與變化驗(yàn)證
關(guān)鍵技術(shù)4：質(zhì)量驗(yàn)證-摻雜與濃度
關(guān)鍵技術(shù)5：晶體定向、切割與拋光
4. MPCVD法原理
5. MPCVD法關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)1： MPCVD生長腔室結(jié)構(gòu)仿真
關(guān)鍵技術(shù)2：高質(zhì)量金剛石生長工藝優(yōu)化
關(guān)鍵技術(shù)3：自發(fā)成核、異常形核等抑制
關(guān)鍵技術(shù)4：大尺寸單晶拼接生長技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)5：大尺寸單晶剝離技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)6： P型摻雜及記憶效應(yīng)
三、濟(jì)南金剛石科技有限公司研究進(jìn)展
1．公司概況
濟(jì)南金剛石科技有限公司成立于2015年6月，是專門從事大顆粒金剛石生產(chǎn)及應(yīng)用研究的高技術(shù)企業(yè)；
公司擁有生產(chǎn)廠房建筑面積15,000平方米，擁有年產(chǎn)大顆粒金剛石8萬克拉（CT），是世界首家能夠利用國際先進(jìn)的六面頂油壓機(jī)生產(chǎn)Ib、IIa、IIb型大顆粒金剛石單晶的企業(yè)，技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，打破國外壟斷和禁運(yùn)。
2．公司產(chǎn)品
目前公司生產(chǎn)Ib型大顆粒金剛石單重達(dá)10CT、粒徑10mm；IIa、IIb型大顆粒金剛石單重達(dá)6CT，粒徑8mm，可提供毛坯、鉆石、晶片等多種產(chǎn)品。
公司提供部分科研用CVD單晶產(chǎn)品。
Ib型金剛石切片達(dá)到10mm*10mm以上。
CVD金剛石單晶片：利用馬賽克拼接法實(shí)現(xiàn)20mm以上自支撐金剛石單晶制備。
3．金剛石加工與表征
攻克低損耗激光切割和精細(xì)拋光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度5nm以下金剛石單晶襯底制備。
聯(lián)合俄羅斯國家科學(xué)院基礎(chǔ)物理所對(duì)制備金剛石進(jìn)行變溫?zé)釋?dǎo)率測試，結(jié)果表明樣品室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)1870-1913W/m·K，完全可以替代現(xiàn)在的常規(guī)半導(dǎo)體領(lǐng)域使用的導(dǎo)熱材料，并有進(jìn)一步提升空間。
4．器件研究
利用氫終端的日盲紫外探測器研究。
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