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快来看看这些金刚石的应用!

时间:2023-03-17浏览次数:987
金刚石具有优良的电学性能:超宽的带隙,超高的击穿场强,高电子和空穴迁移率,有望成为“终极半导体”;在声学上,金刚石在所有材料中具有最高的表面声波速度和极高的杨氏模量;在光学上,金刚石可透过从远红外到紫外小于带隙能量的光子;在热学上,其导热性超过铜,因此金刚石具有跨领域应用的潜力。表1显示了金刚石材料的性能与其对应的应用领域。


▼ 表1:金刚石材料的性能
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金刚石的应用

▍宝石级的人造金刚石

高温高压(HTHP)方法是制造培育钻石的主要方法。化学气相沉积(CVD)制造培育钻石方法,近三年突飞猛进,成本大幅减低,工艺稳定性取得明显进展,已量产并工业批量投放市场。

▍金刚石半导体
金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料,被业界誉为“终极半导体”。金刚石为间接带隙半导体材料,禁带宽度约为5.5eV,热导率高达22W/(cm·K)。室温电子和空穴迁移率高达4500cm²/(v·S)和3800cm²/(v·S),远高于第三代半导体材料GaN和SiC。另外,由于金刚石具有很大的激子束缚能(约80meV),使其在室温下可实现高强度的自由激子发射(发光波长约为235nm),在制备大功率深紫外发光二极管方面具有很大的潜力,在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也发挥着重要作用。另外,对于单晶金刚石衬底材料的生长,还要有高的生长速率以及大的晶体尺寸,同时要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂,使其具备良好的n型或p型导电性质。

可以展望,随着金刚石半导体技术的不断开展,未来必将突破n型掺杂技术、大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题,实现更高功率性能的金刚石电子器件,从而为消费者创造更快、更轻、更简单的设备。金刚石半导体器件比硅芯片更便宜、更薄,基于金刚石的电子产品很可能成为高能效电子产品的行业标准,其将对一些高新行业和高新技术产品产生显著影响,包括更快的超级计算机、先进的雷达和电信系统、超高效混合动力汽车、极端环境中的电子设备以及下一代航空航天电子设备等。


▍宝石级的热学应用
金刚石具有现在所知的天然物质中最高的热导率(2200W/(m·K)),比碳化硅(SiC)大4倍,比硅(Si)大13倍,比砷化稼(GaAs)大43倍,是铜和银的4~5倍,低的热膨胀系数(0.8×10^-6~1.5×10^-6K^-1)和高的弹性模量等优良性能。是一种具有良好前景的优异的电子封装材料。典型的应用有金刚石增强金属封装材料(Dianmond/Cu、Diamond/Al)和热沉-金刚石衬底GaN器件等。金刚石增强金属基封装材料已经商用,其热导率已可达到 350~ 600W / (m·K),随着人造金刚石价格大幅降低,单位体积金刚石颗粒的价格已接近甚至低于W、Mo等难熔金属的价格,为大规模生产创造了必备的条件。

极高的导热系数与电绝缘相结合,使得金刚石成为许多高功率密度设备的首选散热器。激光二极管结处散热就是CVD金刚石的最早应用之一。最近,在晶圆数量级上,CVD金刚石与GaN的集成已经成为可能,这种集成允许在无线电频率下实现更高的功率密度。


▍光学应用

理想的电力传输窗口将具有:

(a)非常低的总吸收(窗口和涂层的吸收系数×窗口厚度。

(b)低热膨胀系数(几何形状随温度的变化较小)。

(c)高导热率(将热量从加热物体中散开的能力)。

(d)高强度和杨氏模量(允许使用更薄的窗口)。

(e)折射率随温度变化小。


金刚石几乎全部满足上述要求,多晶金刚石在光学窗口方面有许多应用场景,部分已产业化。
除了光学窗口外,多晶金刚石还具有装饰作用,金刚石的涂层不仅具有闪光效果还有多种颜色。用于高端钟表的制造,奢侈品的装饰性涂层以及直接作为时尚制品。金刚石其强度和硬度是康宁玻璃的6倍和10倍,因此也被应用于手机显示屏和照相机镜头。



凯发k8国际现在已具备制备热学级、光学级的金刚石,现已有金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石光学窗口片等产品。

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