金剛石基光電探測(cè)及激光器應(yīng)用研究

金剛石寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為5.47 eV，具有優(yōu)異的力學(xué)、 電學(xué)、 熱學(xué)、 聲學(xué)和光學(xué)特性，帶隙寬、熱導(dǎo)率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、載流子遷移率高、耐高溫、抗酸堿、抗腐蝕、抗輻照，在高功率、高頻、高溫領(lǐng)域等方面發(fā)揮重要作用。

近日，“2023功率與光電半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及集成應(yīng)用論壇”于西安召開。論壇由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）指導(dǎo)，西安交通大學(xué)、極智半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)（www.casmita.com）、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主辦，西安電子科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟人才發(fā)展委員會(huì)、全國(guó)半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)教融合（東莞）職業(yè)教育集團(tuán)聯(lián)合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協(xié)辦。

期間，“平行論壇2：光電子器件及應(yīng)用”上，化合積電（廈門）半導(dǎo)體科技有限公司大區(qū)總監(jiān)黃開斌帶來了“金剛石基光電探測(cè)及激光器技術(shù)進(jìn)展”的主題報(bào)告。CVD 金剛石具有極高的導(dǎo)熱率，是理想的散熱材料。單晶金剛石熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/m.k以上，多晶金剛石熱導(dǎo)率達(dá)1000-2000W/m.k。與此同時(shí)， 金剛石的熱膨脹系數(shù)極低。

金剛石俗稱“金剛鉆”，具有所有已知材料中最高的硬度和抗穿透性，甚至可以磨損最硬的陶瓷材料。金剛石具有出色的電絕緣性，金剛石的導(dǎo)熱性比銅好五倍，比硅好 22 倍。雖然金剛石是一種出色的熱導(dǎo)體，但金剛石也是一種出色的電絕緣體。與當(dāng)前技術(shù)相比，金剛石的高介電強(qiáng)度允許薄金剛石層隔離大量電壓。在隔離10,000V 時(shí)，所需金剛石的體積比硅小50倍，尺寸更小的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更快的切換。

金剛石具有優(yōu)良的光學(xué)性能，高質(zhì)量 CVD 金剛石薄膜具有十分優(yōu)良的光學(xué)性能，除 3~6 μm 范圍內(nèi)的雙聲子區(qū)域存在晶格振動(dòng)而產(chǎn)生的本征吸收峰外，在室溫下，從紫外至遠(yuǎn)紅外甚至微波段，都有很高的透過性，理論透過率高達(dá)71.6%。由于封裝、互連、載流子濃度的熱增加和其他因素，傳統(tǒng)的硅和 GaAs 器件通常不能在 300°C 以上工作。金剛石半導(dǎo)體器件不受熱產(chǎn)生載流子的影響，這使得它非常適合高溫和高壓應(yīng)用。

金剛石在半導(dǎo)體激光器、固體激光器、碟片激光器、氣體激光器、金剛石探測(cè)器等領(lǐng)域均有應(yīng)用。其中，半導(dǎo)體激光器使用銅熱沉作為散熱材料，銅的熱導(dǎo)率僅為4W/(k.cm)，散熱能力很有限，而金剛石膜的熱導(dǎo)率是所有物質(zhì)中最高的，熱導(dǎo)率為20W/(k.cm)，是銅熱導(dǎo)率的5倍，同時(shí)金剛石的電阻率可達(dá)1015~1016?·cm，因此采用既電絕緣又高導(dǎo)熱的金剛石作為大功率半導(dǎo)體激光器的熱沉是比較理想的。

單晶CVD金剛石作為輻射探測(cè)器具有許多理想的性能，優(yōu)異的抗輻射能力、耐高溫、高物理硬度、化學(xué)惰性、寬帶隙，信號(hào)響應(yīng)快。通過反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中子、γ射線的探測(cè)。這些性能和使用單個(gè)傳感器檢測(cè)混合輻射類型的能力的結(jié)合，使得金剛石在惡劣環(huán)境下作為探測(cè)器材料特別有吸引力，例如核電站監(jiān)測(cè)（裂變和聚變）和油井測(cè)井作業(yè)。在惡劣的民用環(huán)境下，使用的自支撐多晶 CVD金剛石窗口測(cè)儀可探測(cè)到鈹窗口無法探測(cè)的硼、碳、氮、氧、氟等輕元素發(fā)出的特征 X 光譜線，降低了工作危險(xiǎn)系數(shù)。

編輯：黃飛

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