金刚石基光电探测及激光器应用研究

金刚石宽禁带半导体材料的禁带宽度为5.47 eV，具有优异的力学、 电学、 热学、 声学和光学特性，带隙宽、热导率高、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照，在高功率、高频、高温领域等方面发挥重要作用。

近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

期间，“平行论坛2：光电子器件及应用”上，化合积电（厦门）半导体科技有限公司大区总监黄开斌带来了“金刚石基光电探测及激光器技术进展”的主题报告。CVD 金刚石具有极高的导热率，是理想的散热材料。单晶金刚石热导率高达2000W/m.k以上，多晶金刚石热导率达1000-2000W/m.k。与此同时， 金刚石的热膨胀系数极低。

金刚石俗称“金刚钻”，具有所有已知材料中最高的硬度和抗穿透性，甚至可以磨损最硬的陶瓷材料。金刚石具有出色的电绝缘性，金刚石的导热性比铜好五倍，比硅好 22 倍。虽然金刚石是一种出色的热导体，但金刚石也是一种出色的电绝缘体。与当前技术相比，金刚石的高介电强度允许薄金刚石层隔离大量电压。在隔离10,000V 时，所需金刚石的体积比硅小50倍，尺寸更小的设备可以实现更快的切换。

金刚石具有优良的光学性能，高质量 CVD 金刚石薄膜具有十分优良的光学性能，除 3~6 μm 范围内的双声子区域存在晶格振动而产生的本征吸收峰外，在室温下，从紫外至远红外甚至微波段，都有很高的透过性，理论透过率高达71.6%。由于封装、互连、载流子浓度的热增加和其他因素，传统的硅和 GaAs 器件通常不能在 300°C 以上工作。金刚石半导体器件不受热产生载流子的影响，这使得它非常适合高温和高压应用。

金刚石在半导体激光器、固体激光器、碟片激光器、气体激光器、金刚石探测器等领域均有应用。其中，半导体激光器使用铜热沉作为散热材料，铜的热导率仅为4W/(k.cm)，散热能力很有限，而金刚石膜的热导率是所有物质中最高的，热导率为20W/(k.cm)，是铜热导率的5倍，同时金刚石的电阻率可达1015~1016Ω·cm，因此采用既电绝缘又高导热的金刚石作为大功率半导体激光器的热沉是比较理想的。

单晶CVD金刚石作为辐射探测器具有许多理想的性能，优异的抗辐射能力、耐高温、高物理硬度、化学惰性、宽带隙，信号响应快。通过反应实现对中子、γ射线的探测。这些性能和使用单个传感器检测混合辐射类型的能力的结合，使得金刚石在恶劣环境下作为探测器材料特别有吸引力，例如核电站监测（裂变和聚变）和油井测井作业。在恶劣的民用环境下，使用的自支撑多晶 CVD金刚石窗口测仪可探测到铍窗口无法探测的硼、碳、氮、氧、氟等轻元素发出的特征 X 光谱线，降低了工作危险系数。

编辑：黄飞