金剛石是碳元素（C）的單質(zhì)同素異構(gòu)體之一，為面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子都以sp雜化軌道與另外4個(gè)碳原子形成σ型共價(jià)鍵，C—C鍵長(zhǎng)為0.154nm，鍵能為711kJ/mol，構(gòu)成正四面體，是典型的原子晶體 ，集超硬、耐磨、熱傳導(dǎo)、抗輻射、抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕、可變形態(tài)（單晶/多晶）等諸多優(yōu)異性能于一身。

行業(yè)中時(shí)常提及的石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔，均屬碳的同素異形體。碳具有sp ^3^ 、sp^2^和sp三種雜化態(tài)，通過不同雜化態(tài)可形成多種碳的同素異形體，而金剛石則是通過sp^3^雜化形成。

從結(jié)構(gòu)上來說，金剛石與同處在第IV族的硅（Si）、鍺（Ge）均為金剛石結(jié)構(gòu)，天生就就是做半導(dǎo)體的料 ^[4]^ 。而讓金剛石半導(dǎo)體成為終極半導(dǎo)體材料的底氣來自于其優(yōu)異的特性，據(jù)粗略估計(jì)，金剛石作為半導(dǎo)體的性能比硅高出23000倍，比氮化鎵（GaN）高120倍，比碳化硅（SiC）高出40倍。

既然各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)異，利用這些參數(shù)又能做成什么器件？

金剛石屬超寬帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙高達(dá)5.5eV，使其更適合應(yīng)用于高溫、高輻射、高電壓等極端環(huán)境下；熱導(dǎo)率可達(dá)22W·cm ^-1^ ·K ^-^ ^1^ ，可應(yīng)用于高功率器件 ；空穴遷移率為4500cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，電子遷移率為3800cm ^2^ ·V ^-1^ ·s ^-1^ ，使其可應(yīng)用于高速開關(guān)器件；擊穿場(chǎng)強(qiáng)為13MV/cm，可應(yīng)用于高壓器件；巴利加優(yōu)值高達(dá)24664，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料（該數(shù)值越大用于開關(guān)器件的潛力越大） 。另外，由于金剛石激子束縛能達(dá)到80meV，使其在室溫下可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的自由激子發(fā)射（發(fā)光波長(zhǎng)約235nm），在制備大功率深紫外發(fā)光二極管和極紫外、深紫外、高能粒子探測(cè)器研制方面具有很大的潛力。

除上述器件以外，金剛石還能夠被應(yīng)用到核聚變反應(yīng)堆中的兆瓦回旋振蕩管的高倍光學(xué)鏡片、X射線光學(xué)組件、高功率密度散熱器、拉曼激光光學(xué)鏡片、量子計(jì)算機(jī)上的光電學(xué)器件、生物芯片襯底和傳感器、兩極性的金剛石電子器件等先進(jìn)領(lǐng)域。^[9]^

半導(dǎo)體的材料特性

金剛石是材料革命的第四代選手。

第一代以鍺和硅為代表；第二代以20世紀(jì)80年代和90年代相繼產(chǎn)業(yè)化的砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表；第三代以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表；第四代則是在2005年以后逐漸被重視的4eV以上的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以氧化鎵（Ga2O 3 ）、氮化鋁（AlN）和金剛石為代表 。

目前半導(dǎo)體領(lǐng)域中，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，需要特性更好的材料接續(xù)。金剛石作為超寬禁帶的下一代材料，引得全球爭(zhēng)相布局，世界上很多國(guó)家已將金剛石列入其重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃中。

當(dāng)然，新材料最終作用并非將硅、鍺這種傳統(tǒng)材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補(bǔ)，在自己最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。

半導(dǎo)體材料的劃分

當(dāng)然，天然金剛石雜質(zhì)多、尺寸小、價(jià)格昂貴，很難滿足在電子器件領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求。而人造金剛石與天然金剛石結(jié)構(gòu)相同、性能相近、成本相對(duì)較低，能夠有效使金剛石為人所用。