金刚石以其优异的性能在高端制造业如精密工具、耐磨零件、光学元件涂层、电子产品配件加工等领域有广泛应用。此外金刚石不光是“工业牙齿”,还是“终极半导体”。人造金刚石的性能已与天然金刚石的性能接近,通过CVD法制造的金刚石膜主要有以下四种应用:
1、工具和摩擦磨损应用:目前的工具级金刚石膜产品,基本上限于修整条和拉丝模芯,替代天然金刚石,且受到PCD的竞争,因此市场规模不会很大。精密切削刀具曾被认为是一个很好的市场方向,但却面临在高端的天然和合成金刚石单晶刀具和位于低端的PCD刀具的夹击,且由于多晶金刚石膜的柱状晶特征,只适合于制作中低端的刀具,在产品定位和性价比上很难发挥优势。金刚石薄膜涂层工具由于应用面广,制备成本低,还有很大的发展余地。但目前国内市场还仅限于大尺寸深孔硬质合金拉丝模。金刚石膜涂层硬质合金金属切削刀具仍然没有大批量面市。
2、热学应用:金刚石膜的热导率在所有已知材料中最高,是铜、银的5倍,又是良好的绝缘体,因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热材料采用金刚石热沉(散热片)的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等方面都有应用。未来,潜在市场规模很大,随着新能源汽车、新能源光伏、激光器、军工武器等领域的应用不断扩展,金刚石热沉片将迎来市场爆发期。
3、电子学应用:由于大面积金刚石膜异质外延一直未能取得突破,以及在n-型掺杂方面的困难,金刚石高温半导体已不再是当前高温半导体研究的主流。虽然SiC的半导体性能远比不上金刚石,但大尺寸SiC单晶却比金刚石更容易生长,且和现有的硅半导体技术具有更好的兼容性。因此当前国内外SiC是研究的主流,而不是金刚石是一个合理的选择。
4、光学应用:在极端应用环境下,CVD金刚石膜具有明显的优势,个别情况下可能是唯一的选择。问题在于实际的应用对于金刚石自支撑膜的质量(要求光学极),尺寸和厚度,形状(比如球罩),以及应用环境都十分苛刻。技术难度非常人可以想象。在过去10年中,由于现有材料如蓝宝石(3-5μm中波红外窗口材料)和ZnS (8-12μm长波红外窗口材料)基本上能够满足应用要求,因此没有把光学级金刚石膜的工程应用放到议事日程。进入“十二五”以后,才发现针对未来技术的发展,金刚石膜在某些重要应用领域成了几乎唯一的选择。但由于长期以来没有足够的资金支持,现在想要在短期内实现光学级金刚石膜的工程应用,谈何容易。无论如何,这为CVD金刚石膜研究注入了新的活力。但从产业化的角度来看,市场规模不会很大。
综上金刚石可分为四类,包括:电子级、光学级、工具级和热沉级。电子级主要用于量子通讯、超级计算机等,光学级用于光学窗口,工具级主要用于刀具表面涂层,而热沉级主要作为高功率器件的散热材料。
金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料,它是继硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等之后的重要半导体材料之一,金刚石热沉片可用于重要的半导体器件,在生物检测和医疗、平板显示、环保工程、功能器件等多个高新技术领域都有巨大的应用潜力。其优异的性能可归纳如下:
(1)极高的介质击穿特性:击穿电场为107V/cm,是GaAs材料的50倍,GaN材料的2倍,SiC材料的2.5倍。
(2)极高的功率容量:金刚石容许的功率使用容量是Si材料的2500倍以上;特别适合制作大功率电子器件。
(3)极高的热传导:室温下金刚石具有最高的热导率,是铜的5倍。
(4)低的介电常数:金刚石的介电常数为5.7,约为GaAs的1/2,比InP的一半还小,也就是说,在给定的频率下,金刚石半导体具有可竞争性的容性负载,这为毫米波器件的设计提供了极大的方便。
(5)高饱和载流子速度:金刚石的饱和载流子速度是GaAs、Si或InP的12.7倍,而且载流子速度比GaAs的峰值还要大,即在电场强度增加时也可维持其高的速率。
(6)高载流子迁移率:无论是电子迁移率还是空穴迁移率都优于其他半导体材料,金刚石电子迁移率为4500cm2/(V·s),而Si为1600cm2/(V·s),GaAs为800cm2/(V·s),GaN为600cm2/(V·s);金刚石的空穴迁移率为3800cm2/(V·s),而Si为600cm2/(V·s),GaAs为300cm2/(V·s),GaN小于50cm2/(V·s),因而,金刚石可以制作高频电子器件。
(7)极高的品质因数:通常,品质因数由饱和载流子速度和介电强度确定。如以Si的品质因数为1作为基准,那么GaAs的品质因数为7,InP的品质因数为16,SiC的品质因数为1138,金刚石的品质因数为8206。当其品质因数用于判断逻辑电路的潜力时,介电常数、饱和载流子速度和热导率是判据,如Si的判据为1,则GaAs为0.456,SiC为5.8,金刚石为32.2,因此,在理论上,金刚石最适合于集成电路使用。
(8)优良的光学特性:金刚石不仅具有优异的电学特性,而且有优良的光学特性。金刚石除在紫外和红外的某些波段存在本征吸收外,在整个光谱波段(紫外、可见光、红外)均透明,并有不寻常的高折射率,因此,金刚石是最理想的光学窗口材料。
(9)极高的硬度和极高的化学稳定性:金刚石不仅具有结构致密、耐磨、低摩擦因数和极高的硬度,而且在大多数环境下都是绝对稳定,耐化学腐蚀的。