金剛石基光電探測及激光器應用研究

金剛石寬禁帶半導體材料的禁帶寬度為5.47 eV，具有優(yōu)異的力學、 電學、 熱學、 聲學和光學特性，帶隙寬、熱導率高、擊穿場強高、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、高溫領域等方面發(fā)揮重要作用。

近日，“2023功率與光電半導體器件設計及集成應用論壇”于西安召開。論壇由第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）指導，西安交通大學、極智半導體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)（www.casmita.com）、第三代半導體產(chǎn)業(yè)主辦，西安電子科技大學、中國科學院半導體研究所、第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟人才發(fā)展委員會、全國半導體應用產(chǎn)教融合（東莞）職業(yè)教育集團聯(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：光電子器件及應用”上，化合積電（廈門）半導體科技有限公司大區(qū)總監(jiān)黃開斌帶來了“金剛石基光電探測及激光器技術進展”的主題報告。CVD 金剛石具有極高的導熱率，是理想的散熱材料。單晶金剛石熱導率高達2000W/m.k以上，多晶金剛石熱導率達1000-2000W/m.k。與此同時， 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體，但金剛石也是一種出色的電絕緣體。與當前技術相比，金剛石的高介電強度允許薄金剛石層隔離大量電壓。在隔離10,000V 時，所需金剛石的體積比硅小50倍，尺寸更小的設備可以實現(xiàn)更快的切換。

金剛石具有優(yōu)良的光學性能，高質(zhì)量 CVD 金剛石薄膜具有十分優(yōu)良的光學性能，除 3~6 μm 范圍內(nèi)的雙聲子區(qū)域存在晶格振動而產(chǎn)生的本征吸收峰外，在室溫下，從紫外至遠紅外甚至微波段，都有很高的透過性，理論透過率高達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用。

金剛石在半導體激光器、固體激光器、碟片激光器、氣體激光器、金剛石探測器等領域均有應用。其中，半導體激光器使用銅熱沉作為散熱材料，銅的熱導率僅為4W/(k.cm)，散熱能力很有限，而金剛石膜的熱導率是所有物質(zhì)中最高的，熱導率為20W/(k.cm)，是銅熱導率的5倍，同時金剛石的電阻率可達1015~1016?·cm，因此采用既電絕緣又高導熱的金剛石作為大功率半導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、化學惰性、寬帶隙，信號響應快。通過反應實現(xiàn)對中子、γ射線的探測。這些性能和使用單個傳感器檢測混合輻射類型的能力的結(jié)合，使得金剛石在惡劣環(huán)境下作為探測器材料特別有吸引力，例如核電站監(jiān)測（裂變和聚變）和油井測井作業(yè)。在惡劣的民用環(huán)境下，使用的自支撐多晶 CVD金剛石窗口測儀可探測到鈹窗口無法探測的硼、碳、氮、氧、氟等輕元素發(fā)出的特征 X 光譜線，降低了工作危險系數(shù)。

編輯：黃飛

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