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當今時代，半(ban)導體(ti)行業(ye)正處于(yu)一個(ge)轉型(xing)的(de)(de)(de)關鍵時期，以(yi)硅(gui)為(wei)主導的(de)(de)(de)半(ban)導體(ti)領域面臨著高功率密度、高頻、高溫、高輻射等(deng)(deng)條件瓶頸；第三(san)代半(ban)導體(ti)順勢(shi)而(er)起，以(yi)GaN和SiC為(wei)代表的(de)(de)(de)新材料的(de)(de)(de)發(fa)展推動著功率器件不斷(duan)向(xiang)(xiang)大(da)功率、小型(xing)化、集(ji)成(cheng)化和多功能方(fang)向(xiang)(xiang)前進，但散熱、能效等(deng)(deng)關鍵特性依舊是業(ye)界矢(shi)志不渝(yu)的(de)(de)(de)追求方(fang)向(xiang)(xiang)。
在追求極致性能與(yu)效(xiao)率的(de)時代，一場由金剛石引領(ling)的(de)芯片革命(ming)正(zheng)悄然興起。
金剛石，指的(de)就是還未經打磨的(de)鉆石原石。那么，作(zuo)為一種闖入(ru)了大家視(shi)線中的(de)新半導體材料(liao)，“鉆石”芯片(pian)究(jiu)竟有何魅力？無限可能(neng)背后，進展與挑戰并(bing)存。
“鉆石”芯片，魅力何在？
被譽為“自然界最堅硬物質”的金剛(gang)石，不僅(jin)硬度驚人，還(huan)擁有(you)卓越的導熱性(xing)能、極(ji)高(gao)的電子遷移率，擁有(you)耐(nai)高(gao)壓、大射頻、低成本、耐(nai)高(gao)溫(wen)等多重優異性(xing)能參數，以及其他優異的物理(li)特性(xing)。
具體(ti)來看(kan)，金剛(gang)(gang)石(shi)半導(dao)體(ti)具有超寬禁(jin)帶（5.45eV）、高(gao)擊穿(chuan)場強（10MV/cm）、高(gao)載流(liu)子(zi)飽和漂移速度、高(gao)熱(re)導(dao)率（2000W/m·k）等材(cai)料(liao)特性，以及優異的(de)器件(jian)品質因子(zi)（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛(gang)(gang)石(shi)襯底可研制高(gao)溫(wen)、高(gao)頻、大功率、抗(kang)輻照電子(zi)器件(jian)，克服器件(jian)的(de)“自熱(re)效(xiao)應”和“雪崩(beng)擊穿(chuan)”等技術瓶頸。
此外，金剛石(shi)擁有優異的物理特性，在光學領域(yu)具(ju)有良(liang)好透光性和(he)折射(she)率，適用于(yu)光電器件的研發(fa)；電學方面，其(qi)絕(jue)緣性能和(he)介電常數使其(qi)在復(fu)雜電路中(zhong)發(fa)揮穩定作用；機(ji)械(xie)性能方面，高強度(du)和(he)耐磨性確保芯(xin)片能夠(gou)承受極端工作條件。
這(zhe)些特(te)性使(shi)得金(jin)剛(gang)石在芯片(pian)制造領域展現出巨大潛力，常(chang)被用于高功率(lv)(lv)密度、高頻率(lv)(lv)電子器件的散熱。在5G/6G通信，微波(bo)/毫米(mi)波(bo)集成電路、探(tan)測與(yu)傳感等領域發展起到重要(yao)作用。金(jin)剛(gang)石半(ban)導體被認為是(shi)極(ji)具前景的新型半(ban)導體材料(liao)，被業界譽為“終極(ji)半(ban)導體材料(liao)”。
通過使用金剛石電(dian)子(zi)器(qi)件，不僅(jin)可以減輕(qing)傳統半導體的(de)熱(re)管理需求(qiu)，而(er)且(qie)這些設備的(de)能源效率(lv)更高(gao)，并且(qie)可以承受更高(gao)的(de)擊穿電(dian)壓和惡(e)劣(lie)的(de)環境。
例如，在電(dian)(dian)動汽車中(zhong)(zhong)，基(ji)于(yu)金(jin)剛(gang)石的(de)功(gong)率電(dian)(dian)子器件可(ke)以實現更(geng)高(gao)效的(de)功(gong)率轉換、延長電(dian)(dian)池壽命(ming)以及(ji)縮短充電(dian)(dian)時間；在電(dian)(dian)信領域(yu)(yu)，尤其是(shi)在5G及(ji)更(geng)高(gao)級別(bie)網絡的(de)部署中(zhong)(zhong)，對高(gao)頻和(he)高(gao)功(gong)率器件的(de)需求日益(yi)增長。單晶(jing)金(jin)剛(gang)石基(ji)板提供了必要的(de)熱(re)管(guan)理(li)和(he)頻率性(xing)能(neng)，支持下一代通(tong)信系統，包(bao)括射頻開(kai)關、放大器和(he)發(fa)射器；消費電(dian)(dian)子領域(yu)(yu)，單晶(jing)金(jin)剛(gang)石基(ji)板可(ke)以推動更(geng)小、更(geng)快、更(geng)高(gao)效的(de)智(zhi)能(neng)手(shou)機、筆記本電(dian)(dian)腦(nao)和(he)可(ke)穿戴設備組件的(de)開(kai)發(fa)，從而帶來新的(de)產(chan)品創新并(bing)提高(gao)消費電(dian)(dian)子市場的(de)整體性(xing)能(neng)。
據市場調(diao)研機構Virtuemarket數(shu)據指(zhi)出，2023年(nian)全(quan)球(qiu)金剛(gang)石(shi)半導(dao)(dao)體基材市場價值為(wei)1.51億美元，預計到(dao)2030年(nian)底市場規模將達到(dao)3.42億美元。在(zai)2024-2030年(nian)的(de)預測復合年(nian)增長率為(wei)12.3%。其中，在(zai)中國(guo)(guo)、日本和韓國(guo)(guo)等(deng)國(guo)(guo)家電子(zi)和半導(dao)(dao)體行業(ye)不(bu)斷增長的(de)需求的(de)推動下，亞太地區預計將主(zhu)導(dao)(dao)金剛(gang)石(shi)半導(dao)(dao)體襯(chen)底市場，到(dao)2023年(nian)預計將占全(quan)球(qiu)收入(ru)份額的(de)40%以上。
特性優勢(shi)和廣闊前景(jing)驅動下，金(jin)剛石在半(ban)導(dao)體(ti)產(chan)業鏈(lian)上(shang)的多個環節已經展(zhan)現(xian)出巨(ju)大(da)的潛(qian)力和價值。從(cong)熱沉、封裝(zhuang)到(dao)微納加(jia)工，再(zai)到(dao)BDD電極及量子科技(ji)應(ying)用，金(jin)剛石正逐步滲透到(dao)半(ban)導(dao)體(ti)行業的各個關(guan)鍵(jian)領域，推動技(ji)術(shu)創新與(yu)產(chan)業升級。
熱(re)沉與散熱(re)：金剛(gang)石(shi)憑卓(zhuo)越(yue)熱(re)導與絕緣性能(neng)成為高(gao)功(gong)率(lv)(lv)散熱(re)首選(xuan)，金剛(gang)石(shi)單(dan)晶熱(re)沉片的(de)熱(re)導率(lv)(lv)是銅、銀(yin)的(de)5倍。在(zai)半導體(ti)激光器中，金剛(gang)石(shi)熱(re)沉片顯著提升散熱(re)，減低熱(re)阻，增強(qiang)輸出功(gong)率(lv)(lv)，延長壽命。
這一特性使得金剛石在(zai)新能(neng)源(yuan)汽車、工(gong)業(ye)控制等領(ling)域的高(gao)(gao)功(gong)率IGBT模塊(kuai)中(zhong)也具有廣泛(fan)的應用前景(jing)，有助(zhu)于實現更(geng)高(gao)(gao)效的散熱(re)和更(geng)高(gao)(gao)的功(gong)率密度。
目前(qian)高(gao)功率半導(dao)體(ti)激光器普遍使用的(de)散熱材(cai)料(liao)(liao)是(shi)(shi)氮(dan)化鋁熱沉(chen)(chen)(chen)，將其作為過渡(du)熱沉(chen)(chen)(chen)燒(shao)結(jie)在銅熱沉(chen)(chen)(chen)上(shang)。但在熱導(dao)率要(yao)求1000~2000W/m·k之間時，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石是(shi)(shi)當前(qian)首選(xuan)甚至唯一可(ke)選(xuan)的(de)熱沉(chen)(chen)(chen)材(cai)料(liao)(liao)。金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石用作熱沉(chen)(chen)(chen)材(cai)料(liao)(liao)主要(yao)有兩種形式，即金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石薄膜和將金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石與銅、鋁等金(jin)(jin)(jin)屬復合(he)。
半導體封(feng)裝基(ji)(ji)板：基(ji)(ji)板是(shi)(shi)裸芯片封(feng)裝中熱傳導的關鍵環節。Al2O3陶瓷(ci)是(shi)(shi)目前產量最多、應(ying)用最廣的陶瓷(ci)基(ji)(ji)片，但由于(yu)其熱膨脹系數(shu) （7.2×10-6/℃） 和介(jie)電常數(shu) （9.7） 相(xiang)對Si單(dan)晶而言偏高， 熱導率(lv) （15-35W/ （m·K） ） 仍然(ran)不夠(gou)高， 導致Al2O3陶瓷(ci)基(ji)(ji)片并不適(shi)合(he)在高頻(pin)、大功率(lv)、超大規模集(ji)成(cheng)電路中使用。
因此(ci)， 隨著(zhu)微電子(zi)技術的發(fa)展(zhan)，高(gao)密(mi)度組裝、小型化特性愈發(fa)明顯，組件熱(re)流密(mi)度越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)大，對新型基(ji)板材料的要求越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)高(gao)。開發(fa)高(gao)熱(re)導(dao)率、性能更為完善(shan)的基(ji)片(pian)材料成為大勢所趨(qu)。隨之(zhi)高(gao)導(dao)熱(re)陶瓷基(ji)片(pian)材料AlN、SI3N4、SiC、金剛(gang)石(shi)等(deng)逐步進(jin)入市場之(zhi)中。
其中，金(jin)(jin)剛(gang)石憑借高熱(re)導率、低熱(re)膨脹系數(shu)和良好的穩定性，逐漸成為新一代封(feng)(feng)裝(zhuang)基板材料的關注焦點。通過將金(jin)(jin)剛(gang)石顆粒與(yu)Ag、Cu、Al等高導熱(re)金(jin)(jin)屬基體(ti)復(fu)(fu)合，制備(bei)出的金(jin)(jin)剛(gang)石/金(jin)(jin)屬基復(fu)(fu)合材料已初步展(zhan)現出其在(zai)電子(zi)封(feng)(feng)裝(zhuang)領域(yu)的巨大潛力(li)。
雖然單一(yi)的金剛石不易制(zhi)作成(cheng)(cheng)封裝材料，且成(cheng)(cheng)本較高(gao)，但其優(you)勝于(yu)其他陶瓷(ci)基(ji)(ji)板材料數(shu)十倍(bei)(bei)甚至上百(bai)倍(bei)(bei)的熱(re)導(dao)率，也讓許多大(da)廠紛(fen)紛(fen)投入研究。特別是在算力(li)需求激增的當下，金剛石封裝基(ji)(ji)板為(wei)高(gao)性能芯片的散熱(re)問題提供了創(chuang)新解決方案，助(zhu)力(li)AI、數(shu)據中心等行業的快速發展。
微納加工：第三代半(ban)導體材料(liao)如碳化硅(gui)、氮化鎵加工困難，金剛石(shi)微粉及其(qi)產品因超硬(ying)特性(xing)成加工利器(qi)。
例如在碳化硅晶體的(de)切割(ge)、研(yan)磨和(he)拋光(guang)等環(huan)節(jie)，金(jin)(jin)剛石工(gong)(gong)具(ju)發揮了(le)關鍵作(zuo)用。此外，隨著5G、物聯網等技(ji)(ji)術的(de)普(pu)及，消費電子行業(ye)(ye)對精(jing)密加(jia)工(gong)(gong)的(de)需求(qiu)日益(yi)增加(jia)，金(jin)(jin)剛石刀具(ju)和(he)微(wei)粉制品為金(jin)(jin)屬、陶瓷和(he)脆性材料(liao)提供了(le)高質量的(de)精(jing)密表面處理方(fang)案，推動(dong)了(le)行業(ye)(ye)的(de)技(ji)(ji)術進步和(he)產業(ye)(ye)升級(ji)。
此外，金剛(gang)石在光學窗口、BDD電極、量子(zi)科技等諸多領域頗(po)具優勢，被視為(wei)未(wei)來半(ban)導體材料的(de)有力競爭者。
“鉆石”芯片產業化，進展不斷
目前(qian)，全球(qiu)都在加緊(jin)金(jin)剛石在半導(dao)體領域的研制(zhi)工作。
Element Six贏得UWBGS項目(mu)
近日，Element Six（元素六）公司正在主導(dao)美(mei)國一(yi)個關鍵項目-開發(fa)使用(yong)單晶（SC）金(jin)剛(gang)石襯底的(de)超(chao)寬帶高(gao)功(gong)率半(ban)導(dao)體。該項目是由美(mei)國國防高(gao)級研(yan)究(jiu)計劃局(ju)（DARPA）主導(dao)的(de)超(chao)寬帶隙半(ban)導(dao)體（UWBGS）計劃的(de)一(yi)部(bu)分，旨在開發(fa)下一(yi)代面向國防和商業應(ying)用(yong)的(de)先進半(ban)導(dao)體技術，突破半(ban)導(dao)體的(de)性能和效率極限(xian)。
雖然制備的大尺(chi)(chi)寸金(jin)剛(gang)石(shi)晶圓可應用(yong)于熱沉(chen)和光(guang)學領域(yu)，但(dan)在(zai)電子級(ji)半導體領域(yu)的商業化應用(yong)存在(zai)很多難題。比(bi)如大尺(chi)(chi)寸單晶金(jin)剛(gang)石(shi)的合成、剝(bo)離及研磨拋光(guang)的技術問題還有(you)待進一步解決。
為(wei)此，Element Six與多個(ge)半導(dao)體(ti)(ti)(ti)行業(ye)的(de)(de)關鍵(jian)參與者建(jian)立了戰略(lve)合(he)(he)作伙伴關系，包(bao)括法國(guo)的(de)(de)Hiqute Diamond、日(ri)本Orbray、雷神(shen)公(gong)司(si)，以(yi)及美國(guo)的(de)(de)斯坦福大學和(he)(he)普林斯頓大學。這些(xie)合(he)(he)作將晶體(ti)(ti)(ti)位錯工程、射頻氮化鎵技(ji)術以(yi)及材(cai)料表(biao)面(mian)和(he)(he)體(ti)(ti)(ti)積處理的(de)(de)專(zhuan)業(ye)知識集成在一(yi)起，對于推動超寬帶隙半導(dao)體(ti)(ti)(ti)技(ji)術的(de)(de)發展至關重要。
據悉，Element Six是鉆石公司De Beers的(de)子(zi)公司，總(zong)部位(wei)于英國倫敦(dun)，是單晶金(jin)剛石和多(duo)晶金(jin)剛石合成方(fang)面(mian)的(de)領軍企業，其在化學(xue)氣相沉(chen)積（CVD）技術(shu)方(fang)面(mian)擁有(you)豐(feng)富的(de)經驗。
Element Six對UWBGS計劃的貢獻(xian)將(jiang)利用該(gai)公司(si)在大面積CVD聚晶(jing)金(jin)剛石和高質量單(dan)晶(jing)（SC）金(jin)剛石合成方面的專業知識，實現4英寸設備級SC金(jin)剛石基板。
SC金剛石襯底是實現先(xian)進電子產(chan)品(pin)的(de)關鍵(jian)，包括大(da)功率射頻開(kai)關、雷達和通(tong)信放大(da)器(qi)、高(gao)壓(ya)功率開(kai)關、極端環境的(de)高(gao)溫電子產(chan)品(pin)、深紫(zi)外(wai)LED和激光器(qi)，支撐著數十(shi)億美元的(de)系(xi)統市場。
Element Six能夠生(sheng)產(chan)出高(gao)(gao)質量且具有高(gao)(gao)度有序晶體結(jie)構的(de)單晶金剛(gang)(gang)石(shi)晶圓。目(mu)前(qian)，SC金剛(gang)(gang)石(shi)襯底已用于CERN大型強子(zi)對撞機的(de)監測系(xi)統(tong)，并幫(bang)助發現(xian)了(le)希格斯玻(bo)色子(zi)粒子(zi)。Element Six與高(gao)(gao)功率半導(dao)體領導(dao)者 ABB 合作，實(shi)現(xian)了(le)首款高(gao)(gao)壓塊狀金剛(gang)(gang)石(shi)肖特(te)(te)基二極(ji)管。此外(wai)，Element Six最近在俄(e)勒岡州波特(te)(te)蘭(lan)市完成(cheng)了(le)先進 CVD 設(she)施(shi)的(de)建設(she)和(he)調試，該設(she)施(shi)利用其核心技術，由可再(zai)生(sheng)能源提(ti)供動力。
在多(duo)(duo)晶金剛(gang)石(shi)方面(mian)，Element Six的(de)多(duo)(duo)晶金剛(gang)石(shi)晶片(pian)直(zhi)徑(jing)已超4英寸，被廣泛應(ying)(ying)用于EUV 光刻中的(de)光學窗口以及高功率密度Si和GaN半導體器(qi)件的(de)熱管理應(ying)(ying)用。
此外，在(zai)高壓器件方(fang)面，Element Six與瑞士企業(ye)ABB合作(zuo)，實現了首款高壓塊狀(zhuang)金剛(gang)石肖特基(ji)二極管，展示(shi)了基(ji)于金剛(gang)石的(de)半導體在(zai)改(gai)變功率電子領域中的(de)潛力。
同(tong)時，Element Six正在與(yu)其合(he)作伙伴擴展在金剛石(shi)技(ji)(ji)術(shu)方面的(de)核心能(neng)力。通(tong)過與(yu)日本Orbray進行知識(shi)產(chan)權和(he)設備的(de)交(jiao)叉許(xu)可(ke)。Orbray已(yi)建(jian)立了直(zhi)徑為(wei)55毫米（約2英寸(cun)(cun)）的(de)單(dan)晶(jing)(jing)金剛石(shi)基(ji)(ji)底的(de)制(zhi)造(zao)技(ji)(ji)術(shu)，該基(ji)(ji)底比傳統基(ji)(ji)底更大(da)。這將結合(he)Element Six的(de)CVD（化(hua)學(xue)氣相沉積）技(ji)(ji)術(shu)和(he)Orbray的(de)專業知識(shi)，該技(ji)(ji)術(shu)可(ke)以(yi)沉積直(zhi)徑達150毫米（約6英寸(cun)(cun)）的(de)鉆石(shi)。其目標是建(jian)立具有優異(yi)耐(nai)壓和(he)散熱性能(neng)的(de)下一代(dai)功率半(ban)導(dao)體(ti)和(he)通(tong)信(xin)半(ban)導(dao)體(ti)用大(da)直(zhi)徑單(dan)晶(jing)(jing)金剛石(shi)基(ji)(ji)板的(de)制(zhi)造(zao)技(ji)(ji)術(shu)，擴大(da)單(dan)晶(jing)(jing)金剛石(shi)晶(jing)(jing)圓的(de)生產(chan)規模(mo)，并在超寬(kuan)帶隙半(ban)導(dao)體(ti)市場(chang)中占據更大(da)的(de)市場(chang)份額。
另外(wai)，Element Six近日在俄勒(le)岡(gang)州波特蘭(lan)市完成了一(yi)個先進的CVD設(she)(she)(she)施(shi)的建設(she)(she)(she)和調試(shi)，該設(she)(she)(she)施(shi)由(you)可再生能(neng)源(yuan)驅動(dong)，能(neng)夠大規模生產高(gao)質量的單(dan)晶金(jin)剛石基板。
需要強調(diao)的是，金剛石分為單晶(jing)(jing)和多晶(jing)(jing)兩種(zhong)(zhong)。多晶(jing)(jing)金剛石一(yi)般(ban)用于(yu)熱(re)沉(chen)、紅外和微波窗口、耐磨涂層等方面，但它不能(neng)真正(zheng)發揮金剛石的優異電學性(xing)能(neng)，這是由于(yu)其(qi)內部存在晶(jing)(jing)界(jie)，會(hui)導致(zhi)載流子遷移(yi)率(lv)及電荷收集效率(lv)大幅度降低，使(shi)得其(qi)所制(zhi)備的電子器件性(xing)能(neng)受到(dao)嚴重抑制(zhi)；單晶(jing)(jing)金剛石則不會(hui)有這種(zhong)(zhong)顧慮，一(yi)般(ban)用于(yu)探測器和功率(lv)器件等關(guan)鍵(jian)領域。
多年(nian)(nian)來(lai)，采用(yong)高(gao)壓高(gao)溫技術（HPHT）制造的合(he)成金剛(gang)石廣泛應(ying)用(yong)于研(yan)磨應(ying)用(yong)，充分發(fa)揮(hui)了金剛(gang)石極(ji)(ji)高(gao)硬度和(he)極(ji)(ji)強耐磨性的特性。在過去20年(nian)(nian)中，基于化學(xue)(xue)氣相(xiang)沉積（CVD）的新金剛(gang)石生成方法(fa)已投入(ru)商業化應(ying)用(yong)，這樣就使得以較低(di)成本生成單晶(jing)和(he)多晶(jing)金剛(gang)石。這些新合(he)成方法(fa)支持全(quan)面開發(fa)利(li)用(yong)金剛(gang)石的光學(xue)(xue)、熱(re)學(xue)(xue)、電化、化學(xue)(xue)以及電子屬性。
華(hua)為布局(ju)金(jin)剛(gang)石
2023年11月，華為與哈爾濱工業大學聯合申請的(de)一(yi)項專利(li)《一(yi)種(zhong)基于(yu)硅和金(jin)剛石的(de)三(san)(san)維集成(cheng)芯片(pian)的(de)混(hun)合鍵合方法》，這(zhe)項專利(li)涉及一(yi)種(zhong)基于(yu)硅和金(jin)剛石的(de)三(san)(san)維集成(cheng)芯片(pian)的(de)混(hun)合鍵合方法。
具體來看(kan)，就是通過Cu/SiO2混(hun)合(he)鍵合(he)技術(shu)將硅(gui)基與金(jin)(jin)剛石襯底材料進行三維集成。華為希(xi)望通過兩者的結合(he)，充分利用硅(gui)基半導體和金(jin)(jin)剛石的不同(tong)優勢。
在專(zhuan)利書中提(ti)(ti)及，“隨著集成(cheng)密度不斷升(sheng)高(gao)以(yi)及特征尺(chi)寸不斷縮小(xiao)，電(dian)子芯(xin)片的熱管理(li)面臨極大(da)的挑(tiao)戰。芯(xin)片內部熱積累難以(yi)向封裝表層(ceng)散(san)熱片傳遞，導致內部節(jie)溫突升(sheng)，嚴重威脅芯(xin)片性能、穩定(ding)性和使用壽命。”該專(zhuan)利利用的就是金剛石的高(gao)散(san)熱性，想要為三維集成(cheng)的硅基器件提(ti)(ti)供散(san)熱通道以(yi)提(ti)(ti)高(gao)器件的可靠性。
今年3月，廈門大(da)學于(yu)大(da)全教授(shou)團隊與華(hua)為團隊合(he)(he)作開(kai)發(fa)了基于(yu)反應(ying)性納米金(jin)屬(shu)層的金(jin)剛(gang)石低(di)溫(wen)鍵合(he)(he)技術(shu)，成(cheng)功將多晶金(jin)剛(gang)石襯底集成(cheng)到2.5D玻璃轉接板封裝(zhuang)芯片的背面，并采用(yong)熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。
Diamond Foundry，
培育全球首個單晶(jing)(jing)金剛石晶(jing)(jing)圓
一家由麻省理工(gong)、斯坦福(fu)大(da)學(xue)(xue)、普林斯頓大(da)學(xue)(xue)的工(gong)程師創立(li)的企(qi)業——Diamond Foundry，在金剛石芯片方(fang)面也(ye)取(qu)得(de)了進(jin)展(zhan)。
據了解(jie)，這家企(qi)業希望使用單晶金剛石晶圓解(jie)決，限制人工智(zhi)能、云(yun)計算芯(xin)片、電(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子器(qi)件和無線通信芯(xin)片的(de)熱挑(tiao)戰。
2023年10月，Diamond Foundry培育(yu)出(chu)了世界上第一個單晶金剛(gang)石晶片，具體的數據上，這個金剛(gang)石晶片直(zhi)徑100毫米(mi)、重量100克拉。Diamond Foundry目前已經可以(yi)在(zai)反應爐中培育(yu)出(chu)4英寸長寬(kuan)、小于3毫米(mi)厚(hou)度的鉆石晶圓(yuan)，而這些(xie)晶圓(yuan)可以(yi)和硅芯(xin)片一同(tong)使用，快速傳導并釋放芯(xin)片所產生(sheng)的熱量。
Diamond Foundry開發了一(yi)套技術，為(wei)每個芯(xin)片植入鉆石(shi)。以(yi)原(yuan)子(zi)的(de)方式直接連(lian)接金(jin)(jin)剛石(shi)，將(jiang)半導(dao)體芯(xin)片粘合到金(jin)(jin)剛石(shi)晶圓(yuan)基板上，以(yi)消除(chu)限(xian)制其性能的(de)散熱(re)瓶頸。
熱量情況對比
（圖(tu)源(yuan)：Diamond Foundry）
這一方(fang)案(an)的(de)(de)優勢在于(yu)，可以使得芯片的(de)(de)運行(xing)速度(du)至少是額定(ding)(ding)速度(du)的(de)(de)兩倍。Diamond Foundry工程師表(biao)示，在英偉達最(zui)強大的(de)(de)AI芯片之(zhi)一上(shang)使用這種方(fang)法，在實(shi)驗條件(jian)下甚至能夠將其(qi)額定(ding)(ding)的(de)(de)速度(du)增加(jia)到三倍。
據Diamond Foundry早(zao)些時(shi)候透露，希望能夠(gou)在(zai)2023年后(hou)引入(ru)單金剛(gang)(gang)石晶片，并(bing)在(zai)每個芯片后(hou)面放(fang)置一顆金剛(gang)(gang)石；預計在(zai)2033年前后(hou)，將金剛(gang)(gang)石引入(ru)半(ban)導體。
Advent Diamond：金剛石摻磷技術
美國的(de)Advent Diamond也(ye)是這樣一家致力于(yu)將(jiang)金剛石(shi)半(ban)導體(ti)材料量(liang)產的(de)初創公(gong)司(si)，今年4月，Advent Diamond披(pi)露了在這一方面的(de)進展。
據了(le)(le)解，Advent Diamond 公司的(de)(de)核心創新之一(yi)是在(zai)首選基(ji)底(di)上(shang)生長單(dan)晶摻(chan)磷(lin)金(jin)(jin)剛(gang)石的(de)(de)能(neng)力(li)，它(ta)是美(mei)國(guo)唯(wei)一(yi)一(yi)家擁有該能(neng)力(li)的(de)(de)公司。摻(chan)磷(lin)技術的(de)(de)意義尤其重大，因為它(ta)能(neng)在(zai)金(jin)(jin)剛(gang)石中制(zhi)造出n型半(ban)導體，而這(zhe)正是電子設(she)備開發(fa)的(de)(de)關鍵要素。此外，Advent Diamond 公司在(zai)大面積(ji)生長摻(chan)硼金(jin)(jin)剛(gang)石層方面也(ye)取得(de)了(le)(le)里程碑式的(de)(de)進展(zhan)，拓展(zhan)了(le)(le)基(ji)于金(jin)(jin)剛(gang)石的(de)(de)電子產品(pin)的(de)(de)潛在(zai)應用領域。
Advent Diamond的(de)專業技(ji)術(shu)(shu)不(bu)僅限于材(cai)料(liao)生(sheng)長，還包括(kuo)全(quan)面的(de)元件設計、制(zhi)造(zao)和(he)表征能力(li)。這包括(kuo)蝕刻(ke)、光刻(ke)和(he)金(jin)屬化等先(xian)進的(de)潔凈室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀(yi)和(he)電學測(ce)量等一整套表征技(ji)術(shu)(shu)。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生(sheng)長技(ji)術(shu)(shu)，開(kai)發出了雜(za)質濃度(du)極低(di)的(de)本征金(jin)剛石層，確(que)保了半導(dao)體級金(jin)剛石材(cai)料(liao)的(de)最高質量和(he)性(xing)能標準。
據了解，目前Advent Diamond已(yi)有(you)1-2英(ying)寸(cun)的鑲嵌金剛石晶(jing)圓，并正在努力將(jiang)晶(jing)片尺寸(cun)擴大(da)到4英(ying)寸(cun)。然而，缺(que)(que)陷(xian)密度仍然是一(yi)個關(guan)鍵問題，大(da)多數晶(jing)片的缺(que)(que)陷(xian)約為108個/cm2或更高，必須(xu)將(jiang)缺(que)(que)陷(xian)降(jiang)低到103缺(que)(que)陷(xian)/cm2，才能實現預期性(xing)能。
法國公司Diamfab：
2025年實現4英寸金(jin)剛石(shi)晶圓
此外，位于法國的(de)半導體(ti)金剛石(shi)初(chu)創公司Diamfab也在為(wei)了金剛石(shi)芯片的(de)技術而不(bu)斷努(nu)力。
Diamfab是法(fa)國(guo)國(guo)家(jia)科學(xue)(xue)研(yan)(yan)究中心(xin)（CNRS）實驗室奈爾研(yan)(yan)究所(suo)（Institut Néel）的衍生(sheng)產品，也是30年來(lai)合成(cheng)金剛(gang)石生(sheng)長研(yan)(yan)發的成(cheng)果。Diamfab項目(mu)最初(chu)在格勒諾布爾阿爾卑斯SATT Linksium進行孵化，該公司(si)于2019年3月成(cheng)立，由兩位(wei)納(na)米電(dian)子(zi)學(xue)(xue)博(bo)士和半(ban)導體(ti)金剛(gang)石領(ling)域公認的研(yan)(yan)究人員Gauthier Chicot和Khaled Driche創辦。
Diamfab表示(shi)，為了(le)滿(man)足汽車、可再生(sheng)能源和(he)(he)量子產業(ye)的(de)(de)半(ban)導體(ti)和(he)(he)功率元件市場需求，公司在(zai)合(he)成金剛石的(de)(de)外延和(he)(he)摻雜(za)領(ling)域(yu)開發出了(le)突破性技術(shu)，并擁有(you)四(si)項(xiang)專利，其專長(chang)在(zai)于薄金剛石層的(de)(de)生(sheng)長(chang)和(he)(he)摻雜(za)，以及金剛石電子元件的(de)(de)設(she)計。
今年3月，該公司宣布(bu)獲(huo)得870萬(wan)歐元的首(shou)輪融(rong)資。這輪融(rong)資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗生產線(xian)，對(dui)其技(ji)術進行工業化前處理(li)，加速其發展，從(cong)而(er)滿(man)足對(dui)金(jin)剛石(shi)半導體日益增長(chang)的需求。
Diamfab已經申請(qing)了全金剛石電(dian)容器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)專利，并(bing)在與該(gai)領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)領先企業合作。Diamfab首席執行官Gauthier Chicot說道：“在其他參(can)數中，我(wo)們已經實現了我(wo)們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目標：超過1000A/cm2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)電(dian)流密度和大(da)于(yu)7.7MV/cm 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擊穿電(dian)場(chang)。這些(xie)是未來設(she)備(bei)性能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關鍵參(can)數，并(bing)且已經優于(yu)SiC等現有材料為(wei)電(dian)力電(dian)子設(she)備(bei)提供的(de)(de)(de)(de)(de)(de)參(can)數。此(ci)外，我(wo)們有一個明確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)路線圖，到2025年實現4英寸晶(jing)圓，作為(wei)大(da)規(gui)模生(sheng)產的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關鍵推動因素。”
日本全(quan)面發(fa)力金(jin)剛石(shi)芯(xin)片產業(ye)
根據(ju)已經宣布的研究成果來看，日本對(dui)于金剛石芯片的產業化(hua)探索更加全(quan)面。
從2022年開始，日本(ben)生(sheng)成了可(ke)用于量子計算項目純度的(de)金(jin)剛(gang)石(shi)晶圓；2023年年初(chu)，日本(ben)佐賀大學教授和日本(ben)精密零部件制(zhi)造商(shang)Orbray，合作開發(fa)了一(yi)個金(jin)剛(gang)石(shi)制(zhi)成的(de)功(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)(dao)體，這個功(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)(dao)體可(ke)以(yi)以(yi)1cm2 875兆瓦(wa)的(de)電力(li)運行，在(zai)金(jin)剛(gang)石(shi)半(ban)導(dao)(dao)體中，輸出(chu)功(gong)率(lv)(lv)值為(wei)全球最(zui)高；同(tong)年8月，日本(ben)的(de)千(qian)葉大學科研團(tuan)隊提出(chu)了一(yi)種新(xin)的(de)激(ji)光技術(shu)可(ke)以(yi)沿著最(zui)佳晶體平面(mian)“毫不(bu)費力(li)地切(qie)割”鉆石(shi)。
千葉大學科研團隊切割方式(shi)
基(ji)于激(ji)光的(de)(de)切割(ge)工藝(yi)，可(ke)以(yi)干凈(jing)地(di)切割(ge)鉆石(shi)而(er)不破壞鉆石(shi)。研究人(ren)員(yuan)表(biao)示(shi)，新技術(shu)通過(guo)將短(duan)激(ji)光脈沖聚焦到材(cai)料內狹窄的(de)(de)錐(zhui)形體積上，防止激(ji)光切割(ge)過(guo)程中不良(liang)裂紋的(de)(de)傳播。
千(qian)葉大學表示(shi)，這項新提出的(de)技術(shu)可能是將鉆(zhan)石轉(zhuan)變為“適合未(wei)來更高效技術(shu)的(de)半導(dao)體材(cai)料”的(de)關鍵(jian)一步。Hidai教(jiao)授(shou)表示(shi)，用激光切割鉆(zhan)石“能夠以低成本生產高質(zhi)量的(de)晶圓”，并且對于(yu)制造鉆(zhan)石半導(dao)體器件是必不可少的(de)。
美(mei)國公司Akhan
Akhan公司專門(men)從事實驗室制(zhi)造(zao)合成電子級金剛石(shi)材料(liao)，早(zao)在2021年8月，Akhan就宣布開發出(chu)首款(kuan)將(jiang)CMOS硅與金剛石(shi)基板結合在一起(qi)的300毫(hao)米晶(jing)圓(yuan)，取得了階段性里程碑。
2013年(nian)左右，Akhan又獲得(de)了美國能源部阿貢國家(jia)實驗室開發的(de)突(tu)破性低(di)溫金剛(gang)(gang)石(shi)沉(chen)積技術(shu)(shu)的(de)獨家(jia)金剛(gang)(gang)石(shi)半(ban)導體應(ying)用許(xu)可權(quan)。這項技術(shu)(shu)可以在(zai)低(di)至400攝氏度的(de)溫度下(xia)在(zai)各(ge)種晶(jing)片基(ji)底材料(liao)上沉(chen)積納米金剛(gang)(gang)石(shi)。來自(zi)阿貢的(de)低(di)溫金剛(gang)(gang)石(shi)技術(shu)(shu)與Akhan的(de)Miraj Diamond工藝相結合，打破了半(ban)導體行業中金剛(gang)(gang)石(shi)薄(bo)膜的(de)使用僅限(xian)于p型摻雜的(de)障礙。
后續(xu)，Akhan又宣布了其Miraj Diamond平臺，它開發了一種申請專利的新工藝，其中在硅上創建(jian)n型(xing)金剛石材(cai)料，具有以前未證(zheng)實的特性。
在(zai)半導體行(xing)業(ye)觀察此前文(wen)章《金(jin)剛(gang)石芯片，商用在(zai)即》中提到，Akhan的創始人(ren)兼首席執行(xing)官Adam Khan在(zai)今年1月成(cheng)立了新公司Diamond Quanta，專注于(yu)半導體領域，目的是利用金(jin)剛(gang)石的優異(yi)特(te)性為(wei)電(dian)力(li)電(dian)子和(he)量子光子設備(bei)提供先進的解(jie)決方(fang)案。
今年5月，Diamond Quanta宣布(bu)，其擁有的(de)(de)“統(tong)一(yi)金剛石框架”有利于真正的(de)(de)取代摻雜。這項(xiang)創新技術將新元素無(wu)縫地融入鉆石的(de)(de)結構中，賦予(yu)鉆石新的(de)(de)特性，同(tong)時又不破壞(huai)其晶體(ti)完(wan)整性。
因此(ci)，金(jin)剛(gang)石(shi)已轉變為能(neng)夠支持負（n型）和正(zheng)（p型）電荷載流(liu)子(zi)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)半導(dao)(dao)體。這種遷移(yi)率水平表明(ming)金(jin)剛(gang)石(shi)晶格非常(chang)(chang)干凈、有(you)(you)序，并且(qie)由于成功實施了減輕載流(liu)子(zi)傳輸缺陷(xian)(xian)影響的(de)共摻雜(za)策(ce)略，散射中(zhong)心(xin)得到了有(you)(you)效鈍(dun)化(hua)。此(ci)外，摻雜(za)過(guo)(guo)程通過(guo)(guo)修正(zheng)位錯來細化(hua)現有(you)(you)的(de)金(jin)剛(gang)石(shi)結構，從而(er)提高(gao)材(cai)料的(de)導(dao)(dao)電性(xing)。這些進步不僅保留而(er)且(qie)增強了金(jin)剛(gang)石(shi)結構，避(bi)免了常(chang)(chang)見(jian)的(de)缺陷(xian)(xian)，例如明(ming)顯(xian)的(de)晶格畸(ji)變或(huo)引入通常(chang)(chang)會降低遷移(yi)率的(de)陷(xian)(xian)阱態。
“啟動Diamond Quanta并開發這種(zhong)(zhong)先(xian)進的(de)摻雜(za)工藝是必要(yao)的(de)。電(dian)子、汽車(che)、航(hang)空(kong)航(hang)天、能(neng)源等行(xing)業(ye)一直在尋找一種(zhong)(zhong)半導(dao)體技術，能(neng)夠(gou)應對其技術擴張不斷(duan)變化的(de)需求所帶來的(de)日(ri)(ri)益增長的(de)壓力。”Adam Khan說(shuo)道。“我們的(de)技術不僅(jin)僅(jin)為尋求提高半導(dao)體效(xiao)率的(de)行(xing)業(ye)提供替(ti)代材(cai)料；我們正在推出(chu)一種(zhong)(zhong)全(quan)新(xin)材(cai)料，它將重(zhong)新(xin)定(ding)義性(xing)能(neng)、耐用性(xing)和效(xiao)率的(de)標(biao)準，它將在無(wu)縫地為現代時代日(ri)(ri)益沉重(zhong)的(de)負(fu)載提供動力方面發揮不可或(huo)缺的(de)作用。”
韓國團隊：降低金剛石薄(bo)膜成(cheng)本
今年4月，又來自韓國基礎科學研究所的(de)材料科學團隊(dui)在(zai)《自然(ran)》雜志刊文，宣(xuan)布成(cheng)功(gong)在(zai)標準大氣壓和1025°C下實(shi)現鉆石合成(cheng)，該制(zhi)備方法有望為金剛石薄膜的(de)生產開創(chuang)一條成(cheng)本更(geng)低的(de)道路。
該研究團(tuan)(tuan)隊負責(ze)人Rodney Ruoff表示(shi)，幾(ji)年前注意到(dao)合(he)成金(jin)剛石(shi)不一定需要極(ji)端(duan)條(tiao)件，將液態金(jin)屬鎵暴(bao)露(lu)在(zai)(zai)甲烷氣(qi)體(ti)中(zhong)可生(sheng)成金(jin)剛石(shi)的(de)(de)同素(su)異形體(ti)石(shi)墨，這啟發了(le)Ruoff對含(han)鎵液金(jin)從含(han)碳氣(qi)體(ti)中(zhong)“脫碳”進(jin)而(er)生(sheng)成金(jin)剛石(shi)路線的(de)(de)研究。一次巧合(he)中(zhong)，Ruoff團(tuan)(tuan)隊發現，當反應(ying)環(huan)境引入硅單(dan)質后，出(chu)現了(le)微小的(de)(de)金(jin)剛石(shi)晶(jing)體(ti)。根據這一現象，實驗團(tuan)(tuan)隊改進(jin)了(le)反應(ying)裝置，將含(han)有(you)液態鎵、鐵、鎳和硅的(de)(de)混合(he)物暴(bao)露(lu)在(zai)(zai)甲烷氫氣(qi)混合(he)氣(qi)氛中(zhong)，并加熱到(dao)1025°C，成功(gong)在(zai)(zai)不使用高壓和晶(jing)種的(de)(de)條(tiao)件下生(sheng)成了(le)金(jin)剛石(shi)。目前Ruoff團(tuan)(tuan)隊已成功(gong)制(zhi)備由數千個金(jin)剛石(shi)晶(jing)體(ti)組成的(de)(de)微型金(jin)剛石(shi)薄膜。
如果未來這一常(chang)壓合成技(ji)術能成功推廣(guang)至更(geng)大規(gui)模(mo)，那將開(kai)辟一條(tiao)更(geng)經濟、更(geng)簡(jian)便(bian)的金剛石(shi)薄膜制備道路(lu)，有望為量子計算機和功率(lv)半(ban)導體發展提(ti)供強大助力。
不止上述這(zhe)幾(ji)家企業(ye)在推動“鉆石(shi)”芯片(pian)的(de)產業(ye)化。還(huan)有不少(shao)行(xing)業(ye)公(gong)司都在投身(shen)于此。
從種種動向來看，目前業界(jie)對金剛石半導體的關注程度(du)越高，優(you)勢資源不(bu)斷匯集，也(ye)加速(su)了研發(fa)和產業化速(su)度(du)。這(zhe)意味著“鉆石”晶圓時代的開始。
總而言之(zhi)，金剛(gang)石半(ban)導(dao)體具有優于其他半(ban)導(dao)體材料的出色特性，如高(gao)熱(re)導(dao)率(lv)、寬禁帶、高(gao)載流子(zi)遷移率(lv)、高(gao)絕(jue)緣性、光學透過性、化學穩定性與抗輻射性等。目前業界正在向(xiang)金剛(gang)石進一步(bu)邁進，并逐步(bu)進入(ru)金剛(gang)石多(duo)功能(neng)發(fa)展的轉型(xing)時期。
未來，隨(sui)著(zhu)大尺寸、高(gao)質量(liang)以(yi)及(ji)大范圍、高(gao)靈活度(du)的金(jin)剛石沉積(ji)技術的逐步(bu)開發，有望使(shi)大規模集(ji)成(cheng)電路和高(gao)速集(ji)成(cheng)電路的發展(zhan)進入一(yi)個新時代。
寫在最后
早在(zai)五(wu)六十(shi)年前，科學界(jie)就(jiu)曾掀起研究金(jin)剛石(shi)半(ban)導體的(de)熱(re)潮(chao)，但時(shi)至今(jin)日，也未能(neng)大規模用(yong)上金(jin)剛石(shi)半(ban)導體所制造(zao)的(de)器件。有工程師為(wei)此感嘆，金(jin)剛石(shi)或(huo)許將永(yong)遠處在(zai)半(ban)導體實用(yong)化的(de)邊緣。
誠然，金(jin)剛石在半導體領域(yu)具有(you)顯著優勢(shi)，但要實現(xian)金(jin)剛石芯(xin)片的大規(gui)模生(sheng)產和(he)應用，還面臨著諸多挑戰和(he)限制(zhi)，例如成(cheng)本高、加工難度大、摻(chan)雜等技術(shu)工藝不成(cheng)熟以及應用范圍(wei)有(you)限等問題。
盡管這一(yi)(yi)材(cai)料(liao)還有(you)不少路要(yao)走，但已在半導體鏈中展現活力(li)與應用(yong)潛力(li)。我們相信，在各(ge)方的(de)共同推動下，具備各(ge)種優(you)異特性的(de)金(jin)剛石材(cai)料(liao)在未來將會得到進一(yi)(yi)步發展，幫助半導體材(cai)料(liao)領域邁出至關重要(yao)的(de)一(yi)(yi)步。
當然，新材料(liao)最終作(zuo)用(yong)并非將(jiang)以硅為代表(biao)的傳統材料(liao)拍死在(zai)沙灘上，而是作(zuo)為一(yi)種互補，在(zai)其擅長的領(ling)域充分發揮(hui)作(zuo)用(yong)。
