金剛石半導體，研究現狀及進(jìn)展
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來(lái)源：中國復合材料協(xié)會(huì )
金剛石半導體是將人造金剛石用作半導體材料的技術(shù)和產(chǎn)物。金剛石做為半導體材料具有優(yōu)于其他半導體材料的出色特性，這里我們簡(jiǎn)單科普一下金剛石作為半導體所具有的特點(diǎn)，金剛石在禁帶寬度、電子遷移度、熱傳導率等諸多方面遠遠出色于其他半導體材料。與已經(jīng)實(shí)現商用的碳化硅、氮化鎵相比，金剛石具有無(wú)與倫比的特性，因此被譽(yù)為“終極半導體材料”。
基于業(yè)界長(cháng)期的研發(fā)活動(dòng)，如今金剛石半導體已經(jīng)開(kāi)始逐步邁向實(shí)用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長(cháng)的時(shí)間，不過(guò)已經(jīng)有報道指出，最快在數年內，將會(huì )出現金剛石材質(zhì)的半導體試用樣品。業(yè)界對金剛石半導體的關(guān)注程度越高，越易于匯集優(yōu)勢資源、加速研發(fā)速度。
金剛石半導體作為一種新興的半導體材料，一直備受關(guān)注。國內外的科研機構和企業(yè)不斷推進(jìn)金剛石半導體的研究和開(kāi)發(fā)，又取得一些新進(jìn)展。在金剛石半導體的研發(fā)工作上，一直都是日本的研發(fā)機構在引領(lǐng)，并創(chuàng )造了諸多成果，即使是今天，產(chǎn)綜研的研發(fā)水平也是首屈一指。不過(guò)，迄今為止的研發(fā)活動(dòng)都是僅限于實(shí)驗室內的驗證工作，并未研發(fā)出可用于電子線(xiàn)路、設備的實(shí)際半導體。
近日發(fā)表的論文介紹了一種新型的金剛石半導體器件。這種器件采用了三明治結構，在金剛石襯底上生長(cháng)了兩層氮化硼和一層石墨烯，形成了一個(gè)“石墨烯/氮化硼/石墨烯/金剛石”結構。研究人員稱(chēng)，這種器件具有高電子遷移率和高熱穩定性，有望應用于高功率電子器件、高頻通信和微波雷達等領(lǐng)域。
據悉，戴比爾斯集團旗下的Element Six專(zhuān)注于金剛石半導體領(lǐng)域，正計劃在2023年開(kāi)設新的生產(chǎn)線(xiàn)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的增長(cháng)。Element Six已經(jīng)在歐洲、亞洲和北美建立了多個(gè)工廠(chǎng)，并在金剛石半導體領(lǐng)域進(jìn)行了多年的研究和開(kāi)發(fā)。
此外，金剛石半導體還在其他領(lǐng)域展現出了廣闊的應用前景。例如，在電力電子領(lǐng)域，金剛石半導體具有低損耗、高溫度穩定性和高電壓耐受性等特點(diǎn)，有望應用于高功率電子器件；在生命科學(xué)領(lǐng)域，金剛石半導體可以作為生物傳感器，用于檢測DNA和蛋白質(zhì)等分子。
總的來(lái)說(shuō)，金剛石半導體在新材料、新器件、新技術(shù)等方面的不斷創(chuàng )新和發(fā)展，為各行各業(yè)帶來(lái)了更廣泛的應用前景。隨著(zhù)技術(shù)的不斷推進(jìn)和市場(chǎng)需求的不斷增長(cháng)，金剛石半導體領(lǐng)域的未來(lái)充滿(mǎn)機遇。
如今，已經(jīng)有越來(lái)越多的的院校和研發(fā)機構在推進(jìn)金剛石的研發(fā)，正在將金剛石半導體從研發(fā)階段推向實(shí)用化。能否將金剛石半導體的實(shí)用化和潛力推行下去的關(guān)鍵是能否與大型企業(yè)展開(kāi)合作。不過(guò)令人遺憾的是，在各研發(fā)成果發(fā)布會(huì )現場(chǎng)，雖然企業(yè)的工程師們表現出了極大的興趣，但是這都與業(yè)務(wù)沒(méi)有直接聯(lián)系，真要實(shí)際實(shí)現商業(yè)化，至少還需要十年左右的時(shí)間，且研發(fā)成果也無(wú)法直接、迅速地帶來(lái)利潤，因此企業(yè)才一直猶豫不決。所以，僅靠大學(xué)和研發(fā)機構是無(wú)法實(shí)現真正的社會(huì )面應用的。
另外，不僅是半導體，金剛石也可應用于量子傳感器。金剛石材料對于量子互聯(lián)網(wǎng)等未來(lái)技術(shù)非常重要。特殊的缺陷中心可以用作量子比特，并****稱(chēng)為單光子的單個(gè)光粒子。柏林洪堡大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)將單個(gè)量子位集成到優(yōu)化的金剛石納米結構中。這些結構比人類(lèi)頭發(fā)細1倍，可以以定向方式將****的光子轉移到玻璃纖維中。所用金剛石材料的一個(gè)特點(diǎn)是晶格中氮雜質(zhì)原子的密度相對較高。這些可能保護量子光源免受納米結構表面的電子噪聲的影響。
此外，亞馬遜正在與Element Six合作開(kāi)展量子傳感項目的研發(fā)，量子網(wǎng)絡(luò )使用亞原子物質(zhì)以超越當今光纖系統的方式傳輸數據。金剛石將成為一個(gè)組件的一部分，該組件可以讓數據在不中斷的情況下傳輸得更遠。這個(gè)技術(shù)的應用也為工業(yè)金剛石找到了新的應用。
相信不久的將來(lái)，金剛石作為功能材料的特性會(huì )應用到更加廣闊的領(lǐng)域，并成為我們日常生活的必需品。
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