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       未來，電子零件將滲透到一切，產(chǎn)生一個新的和快速增長的污染問題。因此，未來的設備需要環(huán)保，并具有強大的回收選擇。半導體技術(shù)的范式變化是基于可以滿足這些標準的更合適材料的應用來預測的。碳基材料，尤其是金剛石，是很有前途的候選材料。

       該綜述結(jié)合金剛石在電力電子、量子技術(shù)、生物電化學和微機電系統(tǒng)中的應用，介紹了金剛石的體積和表面特性。要進入商業(yè)市場，將需要大量的金剛石種子和晶圓。介紹了它們的可用性、質(zhì)量和尺寸以及生產(chǎn)所需的能量。目前，CVD金剛石的生產(chǎn)能耗比硅高00-250倍。通過使用新的固體微波源可以解決這個問題。“綠色鉆石”的定義考慮到了能源和甲烷/氫氣生產(chǎn)方面的要求。簡要討論和比較了金剛石全球市場及其與SiC和GaN相比的相關(guān)潛力。

       文章以“CVD diamond: a review on options and reality”為題，于近日發(fā)表在 Functional Diamond 雜志上。

       https://doi.org/10.1080/26941112.2023.2201592

       CVD金剛石材料和寶石正在發(fā)展，金剛石將成為一個全球性的大玩家。2021年，全球合成金剛石(HPHT和CVD)市場規(guī)模在140億美元左右，增長8%。約40%歸因于高溫高壓，60%歸因于CVD(拋光和粗糙)。這可以與全球鉆石珠寶市場的650 - 800億美元相比較。相比之下，2021年全球SiC市場約為30億美元(復合年增長率11.7%)， 2021年全球GaN半導體器件市場為18.8億美元（復合年增長率24.4）。

       這些數(shù)字表明了金剛石技術(shù)的重要性。未來的研發(fā)需要路線圖來調(diào)整相關(guān)設備開發(fā)的科學和開發(fā)進度。為了生產(chǎn)圓片尺寸(2-4英寸或更大)的金剛石材料，需要新的沉積系統(tǒng)，并將與相關(guān)的蝕刻、光刻、步進和金屬化技術(shù)結(jié)合使用。及時的發(fā)展需要密集的規(guī)劃和溝通。

       CVD金剛石技術(shù)發(fā)展迅速。關(guān)鍵和重要的一步將是生產(chǎn)具有電子質(zhì)量的金剛石晶圓。在這里，最近的位錯密度最小化邁出了重要的一步，似乎建立了對缺陷和純度的控制。目前有幾家公司正在建立基于鑲嵌金剛石或異質(zhì)外延技術(shù)的大面積金剛石生產(chǎn)。MEMS或散熱器中的應用對缺陷的要求并不高。在電子和光學質(zhì)量有限的情況下，它們可以成為晶圓生產(chǎn)的“敲門人”。隨著時間的推移，質(zhì)量和晶圓尺寸的改進將是強制性的。

       量子技術(shù)、電力電子、電和生物電化學、MEMS和輻射檢測方面的器件原型已經(jīng)實現(xiàn)。大多數(shù)開發(fā)達到了“原型”級別或TLR 4，這是缺少晶圓的結(jié)果。為了與公司建立合作關(guān)系，原型設備需要顯示出大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。一個苛刻的要求是（a）金剛石晶圓需要可用以及(b)市場。根據(jù)文獻資料，市場預期可以總結(jié)如下:

（1）2023年，全球金剛石NV中心的磁力計市場將接近1.6億美元(復合年增長率為7.9%)。

（2）2025年人造金剛石納米顆粒市場規(guī)模將達到1.4億美元(復合年增長率為12.4%)。

（3）2023年，3kv二極管的電力電子市場規(guī)模為3500萬美元。

       如果金剛石晶圓及時可用，這些市場可以通過金剛石器件來解決。

       具有大市場的新應用是散熱器(2020年3200萬美元)和MEMS(2019年11.5億美元)，這兩個市場都要求很高。基于AlScN/金剛石的MEMS與基于GaN/金剛石的5G放大站散熱器存在巨大的熱膨脹系數(shù)失配，難以組合。像晶圓鍵合這樣的新技術(shù)可以解決這個問題。此外，某些應用需要8英寸或更大的晶圓進行商業(yè)化，并與其他材料(如AlScN)結(jié)合。此外，這些設備特別是手機等5G通信設備中的濾波器需要便宜。最后，金剛石的量子應用非常有吸引力，顯示出最大的全球市場。金剛石在這一領(lǐng)域是獨一無二的，但需要大規(guī)模生產(chǎn)才能進入和滲透這些市場。

       綜上所述，CVD金剛石技術(shù)在金剛石質(zhì)量、摻雜、3D成形、晶圓生產(chǎn)和優(yōu)化以及器件原型設計等方面都取得了良好的進展。金剛石應用的市場是明確的和有前景的。需要的關(guān)鍵改進是：(a) 降低金剛石沉積技術(shù)的成本，以及(b) 建立用于大規(guī)模生產(chǎn)的金剛石晶圓。這兩個主題將是未來成功的瓶頸。

       文獻信息：

       Christoph E. Nebel (2023) CVD diamond: a review on options and reality, Functional Diamond, 3:1, 1-10, DOI: 10.1080/26941112.2023.2201592