培育鉆石打造“終極半導(dǎo)體材料”培育鉆石單晶及其制品是實(shí)施超精密加工、智能電網(wǎng)等國家重大戰(zhàn)略，以及智能制造、5G通信等產(chǎn)業(yè)集群升級的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，意義重大。尤其是5G通信時(shí)代迅速展開，培育鉆石單晶材料在半導(dǎo)體和高頻功率器件中的應(yīng)用日益突出?；谂嘤@石的半導(dǎo)體技術(shù)可以提高功率密度，并為消費(fèi)者創(chuàng)造更快、更輕、更簡單的設(shè)備?；谂嘤@石的電子產(chǎn)品或?qū)⒈裙栊酒阋?、更薄，可能成為?jié)能電子產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，新一代半導(dǎo)體材料及設(shè)備也是國產(chǎn)芯片繞開先進(jìn)制程封鎖的重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

       相關(guān)研究顯示，高品質(zhì)大尺寸超純CVD培育鉆石可用于珠寶首飾、精密刀具、光學(xué)窗口、芯片熱沉、半導(dǎo)體及功率器件等高端先進(jìn)制造業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體功率器件對原材料性能要求不斷提升，培育鉆石優(yōu)異的物理特性將會(huì)為其在特定場景創(chuàng)造出應(yīng)用空間。

       可用于半導(dǎo)體的培育鉆石主要通過微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)。在培育鉆石的各種生產(chǎn)方法中，MPCVD無極放電、無污染、外延可控性強(qiáng)，在大尺寸、高純度培育鉆石制備與摻雜研究方面優(yōu)勢更明顯，因此培育鉆石半導(dǎo)體材料大多通過MPCVD技術(shù)路徑。

       CVD法合成培育鉆石呈板狀，純凈度高，適宜5ct以上培育鉆石合成。CVD法培育鉆石可通過晶圓拼接方式制作大面積單晶晶圓，作為半導(dǎo)體芯片襯底可完全解決散熱問題及利用培育鉆石的多項(xiàng)超級優(yōu)秀的物理化學(xué)性能。培育鉆石禁帶寬度達(dá)到5.5eV，由于具有載流子遷移率高、載流子飽和漂移速率大、擊穿場強(qiáng)大等性能，基于耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重特性，培育鉆石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被行業(yè)譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。目前，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出相關(guān)技術(shù)，能獲得1～6英寸單晶培育鉆石外延 ，相當(dāng)于能生長出培育鉆石晶條，還能切出1～6英寸培育鉆石襯底，并且在此基礎(chǔ)上能沉積出培育鉆石同質(zhì)外延。

面向5G和新能源時(shí)代，培育鉆石打造新一代封裝基板

       隨著5G通訊的迅速發(fā)展，5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起這些部位發(fā)熱量的急劇增加。在新能源汽車領(lǐng)域，目前大功率、高電流密度是IGBT芯片的發(fā)展趨勢，這勢必會(huì)造成電子元器件過熱。研究數(shù)據(jù)表明，芯片表面溫度達(dá)到70~80℃時(shí)，溫度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超過55%的電子設(shè)備的失效形式是中溫度過高引起的長時(shí)間運(yùn)行累積的熱量若不及時(shí)散發(fā)出去的話，會(huì)嚴(yán)重影響5G基站的通訊信號以及其使用壽命。因此，散熱是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域急需解決的問題。

       要解決散熱問題，除了采用更高效的冷卻技術(shù)外，研制出熱導(dǎo)率大于400w/( mK )且膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料相匹配的新型輕質(zhì)電子封裝材料迫在眉睫?；迨锹阈酒庋b中熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高，要求具有更有的熱導(dǎo)率、更匹配的熱膨脹系數(shù)以及更好的穩(wěn)定性。目前，各種新型封裝基板材料已成為各大廠競相研發(fā)的熱點(diǎn)，其中培育鉆石作為新一代基板材料正得到愈來愈多的關(guān)注。

       封裝基板材料的要求是:高電阻率、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、介電損耗、與硅和砷化鎵有良好的熱匹配性、表面平整度高、有良好的機(jī)械性能及易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等。早在1929年德國西門子公司成功研制Al2O3陶瓷后，已成為目前產(chǎn)量最多，應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù) (7.2×10-6/℃) 和介電常數(shù) (9.7) 相對Si單晶而言偏高, 熱導(dǎo)率 (15-35W/ (m·K) , 96瓷) 仍然不夠高, 導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。因此, 開發(fā)高熱導(dǎo)率、性能更為完善的基片材料成為大勢所趨。隨之高導(dǎo)熱陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、培育鉆石逐步進(jìn)入市場之中。

       培育鉆石是目前已知自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，單晶培育鉆石的熱導(dǎo)率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)約為1.1×10-6/℃ ，在半導(dǎo)體、光學(xué)等方面具有很多優(yōu)良特性，其優(yōu)勝于其他陶瓷基板材料數(shù)十倍甚至上百倍的熱導(dǎo)率，讓許多大廠紛紛投入研究。

       培育鉆石是一種熱導(dǎo)率很高，散熱性非常好的基板材料，在較高溫度環(huán)境下應(yīng)用前景廣闊,是制造低功耗、高功率密度器件的半導(dǎo)體材料，其巨大的潛力吸引著越來越多的研究者投身其中。未來隨著材料、器件等各方面問題的不斷解決，培育鉆石的潛力將逐漸得到開發(fā)，滿足未來半導(dǎo)體行業(yè)的需求，并在半導(dǎo)體封裝材料中占據(jù)一席之地。