什么是金剛石？

金剛石是碳元素（C）的單質(zhì)同素異構(gòu)體之一，為面心立方結(jié)構(gòu)，每個碳原子都以sp雜化軌道與另外4個碳原子形成σ型共價鍵，C—C鍵長為0.154nm，鍵能為711kJ/mol，構(gòu)成正四面體，是典型的原子晶體 ，集超硬、耐磨、熱傳導、抗輻射、抗強酸強堿腐蝕、可變形態(tài)（單晶/多晶）等諸多優(yōu)異性能于一身。

行業(yè)中時常提及的石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔，均屬碳的同素異形體。碳具有sp ^3^ 、sp^2^和sp三種雜化態(tài)，通過不同雜化態(tài)可形成多種碳的同素異形體，而金剛石則是通過sp^3^雜化形成。

從結(jié)構(gòu)上來說，金剛石與同處在第IV族的硅（Si）、鍺（Ge）均為金剛石結(jié)構(gòu)，天生就就是做半導體的料 ^[4]^ 。而讓金剛石半導體成為終極半導體材料的底氣來自于其優(yōu)異的特性，據(jù)粗略估計，金剛石作為半導體的性能比硅高出23000倍，比氮化鎵（GaN）高120倍，比碳化硅（SiC）高出40倍。

既然各項參數(shù)優(yōu)異，利用這些參數(shù)又能做成什么器件？

金剛石屬超寬帶隙半導體材料，帶隙高達5.5eV，使其更適合應用于高溫、高輻射、高電壓等極端環(huán)境下；熱導率可達22W·cm ^-1^ ·K ^-^ ^1^ ，可應用于高功率器件 ；空穴遷移率為4500cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，電子遷移率為3800cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，使其可應用于高速開關(guān)器件；擊穿場強為13MV/cm，可應用于高壓器件；巴利加優(yōu)值高達24664，遠遠高于其他材料（該數(shù)值越大用于開關(guān)器件的潛力越大） 。另外，由于金剛石激子束縛能達到80meV，使其在室溫下可實現(xiàn)高強度的自由激子發(fā)射（發(fā)光波長約235nm），在制備大功率深紫外發(fā)光二極管和極紫外、深紫外、高能粒子探測器研制方面具有很大的潛力。

除上述器件以外，金剛石還能夠被應用到核聚變反應堆中的兆瓦回旋振蕩管的高倍光學鏡片、X射線光學組件、高功率密度散熱器、拉曼激光光學鏡片、量子計算機上的光電學器件、生物芯片襯底和傳感器、兩極性的金剛石電子器件等先進領(lǐng)域。^[9]^

半導體的材料特性

金剛石是材料革命的第四代選手。

第一代以鍺和硅為代表；第二代以20世紀80年代和90年代相繼產(chǎn)業(yè)化的砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表；第三代以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表；第四代則是在2005年以后逐漸被重視的4eV以上的超寬禁帶半導體材料，以氧化鎵（Ga2O 3 ）、氮化鋁（AlN）和金剛石為代表 。

目前半導體領(lǐng)域中，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，需要特性更好的材料接續(xù)。金剛石作為超寬禁帶的下一代材料，引得全球爭相布局，世界上很多國家已將金剛石列入其重點發(fā)展計劃中。

當然，新材料最終作用并非將硅、鍺這種傳統(tǒng)材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補，在自己最擅長的領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。

半導體材料的劃分

當然，天然金剛石雜質(zhì)多、尺寸小、價格昂貴，很難滿足在電子器件領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求。而人造金剛石與天然金剛石結(jié)構(gòu)相同、性能相近、成本相對較低，能夠有效使金剛石為人所用。