原创中南钻石突破 CVD 高氮金刚石技术，量子应用新契机

 2024-12-23 10:43  58 0 分类: 消费电子

近日，中南钻石有限公司申请了一项名为“一种用于量子应用研究的CVD高氨单晶金刚石及其生长方法与应用”的专利。该专利涉及氮掺杂金刚石技术，以低氨CVD金刚石单晶片为晶种，通过精确控制CVD法生长条件，实现了高氨环境下单晶金刚石的低速高质量生长。

中南钻石有限公司是中兵红箭股份有限公司（股票代码000519）的全资子公司。公司是世界最大的超硬材料科研、生产基地，产品主要应用于传统工业领域、消费领域及金刚石功能化应用领域。传统工业应用领域主要产品有工业金刚石、大尺度多晶金刚石、立方氮化硼、超硬复合材料、石墨制品等，已出口到欧美、印度、日本、韩国等40多个国家和地区，产销量和市场占有率雄居全球第一；在消费领域，公司成功实现了宝石级培育钻石的规模化生产，打破了国外巨头对钻石饰品领域主流原材料的垄断；在金刚石功能化应用方面，已在高新技术等领域开展推广应用。

01 钻石从珠宝到科技的蜕变

钻石（金刚石），由纯碳在极端高温高压条件下形成，是自然界中最硬的物质。长久以来，钻石凭借其璀璨的光芒与稀缺性，成为了爱情与奢华的永恒象征。

然而，随着科技的进步，钻石（金刚石）的应用领域正悄然拓宽，它已不再局限于珠宝盒中的璀璨，而是跨入了高科技的广阔天地，引领着一场深刻的科技变革。金刚石禁带宽度是硅的近三倍之多，具有卓越的热导率、低介电常数、高击穿电压和电子、空穴的高迁移率等独特性能，能够在高温、大功率、高压、高频等极端条件下保持稳定工作，被业界誉为“终极半导体”。未来，有望被广泛应用于高功率、高频率电子设备的散热中。

在量子计算领域，氮掺杂的金刚石因其卓越的长相干时间和可操控性，已然成为实现量子比特（qubit）的优选材料之一。通过精准调控钻石内部的氮原子含量与分布，成功孕育出稳定的量子比特，为构筑下一代超高速、超安全的量子计算机奠定了坚实基础；在电子散热领域，钻石基散热器，凭借其无与伦比的导热性能，为高性能计算机、智能手机等电子产品提供了更为高效、可靠的散热解决方案。kashSystems公司创新性地提出金刚石散热GPU技术，利用金刚石导热系数远超铜五倍的优势，显著提升了电子设备的工作效率。国内华为公司在金刚石散热技术领域也取得了显著突破。

02 CVD法制备半导体金刚石

人造金刚石的生产主要通过高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）两种技术实现。HPHT主要用于生产金刚石粉体或小尺寸单晶，广泛应用于机械工具领域，但在控制内部缺陷和杂质方面存在局限，难以满足半导体材料的高要求。而CVD法能制备大尺寸、低杂质的高质量金刚石，特别是微波等离子体CVD（MPCVD）技术，由于避免了电极污染，成为制备高品质金刚石的首选。MPCVD法通过优化真空腔体系统和微波发生器设计，能实现6~8英寸的大尺寸金刚石生长，满足半导体材料对大尺寸晶圆的需求。因此，MPCVD法也是目前制备半导体金刚石材料的理想方案。

异质外延沉积大尺寸单晶金刚石示意图

03 全球金刚石产业创新潮涌

当前，金刚石产业正迎来全球范围内的创新浪潮。近日，西班牙政府已批准向Diamond Foundry Europe提供8100万欧元补贴，支持其在西班牙特鲁希略建设总投资达8.5亿美元的金刚石晶圆厂。该厂计划于2025年投产单晶金刚石芯片，旨在满足传统钻石市场和半导体行业的需求，并采用先进的等离子体反应器技术和120MW太阳能发电装置，致力于成为全球首批绿色工业项目。

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我国政府亦高度重视超硬材料产业，出台多项扶持政策为企业保驾护航。近年来，启晶科技、科之诚等中国企业通过引进国外先进技术和自主研发，成功研发出大尺寸、高品质的金刚石晶圆片。晶盛机电成功研发了MPCVD法金刚石晶体生长设备，建设了大尺寸金刚石生产线，并在钻石培育技术上实现了10克拉级钻石的培育。此外，黄河旋风、力量钻石、惠丰钻石等公司也在金刚石单晶、微粉及培育钻石领域展现出强大竞争力。目前，中国已成为全球最大的人造钻石生产和加工基地，也是最重要的钻石批发市场。2023年，中国培育钻石产量达到986万克拉，预计到2025年，年产量将达到1049万克拉。河南省是国内超硬材料产业的核心地区，贡献约80%的金刚石产量。

会议推荐 “2025未来半导体产业发展大会” 4月10-12日苏州举行

Flink未来产链以 “ 新材料，芯未来 ”为主题 ，从材料研发、加工工艺、装备优化、终端需求等产业难题入手。

重点聚焦 金刚石半导体 、 碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓、碳基电子等新型半导体技术、与封装集成、 微纳加工等方向， 挖掘未来半导体产业发展机遇。

会议参考话题

主题一：碳基半导体材料与器件产业发展

（一）碳基CMOS晶体管和集成电路的现状与挑战

1、碳基半导体材料设计与合成

2、碳基纳米材料在半导体中应用进展与产业化难点分析

3、碳基芯片最新进展与应用案例

（二）金刚石半导体商用化进程及难题解决方案

1、大尺寸金刚石晶圆制备技术与装备升级

2、批量化低成本金刚石晶片制备与商业化应用案例