单晶金刚石在半导体、光学显示的应用

  新材料作为二十一世纪三大支柱产业之一，在整个人类历史进程中都发挥着举足轻重的作用。人类的每一次科技革命，也是材料产业的革命。金刚石，这个世界上最坚硬的物质，因其诸多优异的物理化学性质，成为人们最为关注的材料之一，可以毫不夸张的说，金刚石的出现，推动了现代化工业的发展。然而对金刚石应用的开发，到目前也仅仅是冰山一角。究其原因，莫过于其高昂的价格。

  随着人们对大单晶金刚石需求的不断增长，各大高校及科研机构、企业加快研究步伐，金刚石合成技术也日趋成熟，合成金刚石的质量得以进一步提高，成本不断下降。为金刚石将来更尖端的科技应用创造可能。今天我们就来盘点一下金刚石的两个高端应用。

  1. 半导体产业应用

  1.1 芯片衬底

  自20世纪50年代开始，以硅(Si)、锗(Ge)为主的第一代半导体材料使用至今已有70余年，时至今日，仍有95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路由硅材料制作，但因硅自身的物理性质缺陷，限制了其在高频功率器件上的应用。而以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料虽然在二十世纪末风靡一时，但因其价格昂贵，且具有毒性，使得其应用受到很大的局限性。现如今，以金刚石、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为主的具有超宽带隙特性的第三代半导体材料已成为国际竞争的热点。三代半导体材料性质对比如下：

  由以上数据可以看出，作为第三代半导体材料中的佼佼者，金刚石材料具备高热导率、高击穿电场、高载流子迁移率、高载流子饱和速率和低介电常数等优异的特性，满足现代电子技术对高温、高压、高功率、高频率以及抗辐射等恶劣条件的要求，已是业界公认的“终极半导体材料”。

  图1 量子计算机芯片

  以CVD方法制得的大单晶金刚石作为衬底材料可应用于集成电路芯片、超高频大功率电子器件、生物传感器、航空航天及其他极端环境电子元器件等场景，将大幅度提升数据传输速率与转化效率，降低功耗，未来在国防、航空航天、能源勘探、量子计算机、光存储、5G通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多领域发挥战略性作用。

  1.2 芯片散热材料—热沉

  随着科学的发展和技术装备的提升，激光二极管列阵等大功率高密度器件已被越来越多地应用于集成电路之中，但受限于普通材料的散热性能，导致温度不断升高，大大降低了其性能，同时缩短了使用寿命。

  图2 MPCVD金刚石热沉片

  单晶金刚石材料具有目前所知的天然物质中最高的热导率，且工作温度最高可达600℃以上，并具备化学性质稳定、电器绝缘性好、介电常数小、热膨胀系数与器件材料的膨胀系数基本相同、表面平滑性好等特性，是目前用作高功率密度的高端器件的散热元件最理想的材料，可被应用于5G芯片、激光二极管阵列、高速计算机CPU芯片多维集成电路、军用大功率雷达微波行波管导热支撑杆、GaN on diamond复合片、卫星扩热板、微波集成电路基片、集成电路封装自动键合工具TAB等高技术领域。

  2. 冷阴极场发射显示器

  随着“大脑袋”电视、显示器（即传统阴极射线管显示器，简称CRT）逐渐离开人们的视线，平板显示器、电视迅速走进了千家万户，成为日常生活必不可少的工具。现在市场上主流平板显示器主要有两种：一是等离子显示器（PDP）,依靠高能量的电子束轰击屏幕产生图像，其缺点是工作电压大、能耗高且制造成本高；二是液晶显示器（LCD），依靠液晶材料对光线的偏光作用产生图像，其缺点是显示速度慢、能耗高、视角范围小。

  图3冷阴极场发射显示器

  由于单晶金刚石材料在光学、力学、热学、电学等方面表现出的优异特性，采用单晶金刚石材料制作冷阴极场发射显示器（FED）已成为各大屏幕生产企业研发的重点。FED是一种自发光型平板显示器，在继承其他显示器优点的前提下，完美摒弃了其缺点。首先FED由数十万个冷发射子组成，在亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度方面均表现优异；其次，FED显示器核心部件的冷发射阴极到阳极的距离仅为100μm，完全符合现在超薄显示器发展规律；另外FED采用冷阴极电子源,具有功耗低、自发光、工作环境温度范围宽等优点，工作电压仅为1kV。随着MPCVD生产金刚石材料的技术不断成熟，FED统领显示器市场必将指日可待。