2018高清国产一区二区三区-国产黄色视频免费在线观看-欧美激情欧美精品一区二区-免费国产一级片内射老妇

鉆石，成為半導體終極材料

自(zi)1959年(nian)硅(gui)晶片(pian)誕生以來(lai)，半導(dao)(dao)體(ti)工業(ye)不(bu)斷地(di)突破和創新(xin)。從硅(gui)發展到現在大(da)火大(da)熱的碳化(hua)硅(gui)(SiC)/氮化(hua)鎵(GaN)等寬禁(jin)帶半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)，再到對氧(yang)化(hua)鎵的探索，產業(ye)界始終在探索具有更優導(dao)(dao)熱和電(dian)絕緣性(xing)能的新(xin)材(cai)料(liao)(liao)，以應對不(bu)斷升(sheng)級的技術要求(qiu)。而鉆石晶圓，就目前(qian)已(yi)經探到的材(cai)料(liao)(liao)而言，可以說是終極的半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)料(liao)(liao)了。

眾多(duo)周知，整個半導體(ti)產業遵循著摩爾定(ding)律已經(jing)來到(dao)了(le)(le)3納(na)米(mi)(mi)(mi)，蘋果的3納(na)米(mi)(mi)(mi)芯片已經(jing)伴隨iPhone15 Pro和(he)Pro max悄然到(dao)了(le)(le)消(xiao)費(fei)者手中。隨著我們正在向2納(na)米(mi)(mi)(mi)、1納(na)米(mi)(mi)(mi)甚至是埃米(mi)(mi)(mi)(Angstrom，1埃=十億(yi)分之一(yi)米(mi)(mi)(mi))級別(bie)邁進。依(yi)靠現在的硅基(ji)材(cai)料(liao)顯然是有很大難度的，物理極限的問題不斷顯現，熱挑戰(zhan)也在困擾著行業。與當今現有的材(cai)料(liao)相比，鉆石展現了(le)(le)其多(duo)項超(chao)群(qun)的特性。

首先，按照(zhao)DF公司的(de)說法，他們可(ke)以實現將鉆石(shi)直(zhi)接以原子方式與集成電路晶圓(yuan)粘(zhan)合，晶圓(yuan)厚度可(ke)以達到(dao)埃級精(jing)度，這(zhe)不僅凸顯了其(qi)粘(zhan)合精(jing)度之高，而(er)且為(wei)半導(dao)體產(chan)業未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的(de)技術(shu)基礎。

其次(ci)，單晶鉆石是已(yi)知熱(re)導率最高的(de)(de)材料。典型的(de)(de)硅的(de)(de)熱(re)導率為150W/(m·K)，銅(Copper)是380W/(m·K)，而鉆石的(de)(de)熱(re)導率遠(yuan)高于硅和銅，高達(da)2400W/(m·K)，這就意味著它(ta)能更有效地(di)傳導熱(re)量，使集成(cheng)電(dian)路能夠更快地(di)運行且壽命更長。

鉆(zhan)石還有一個很大(da)(da)的(de)(de)優勢是極高(gao)的(de)(de)絕緣(yuan)性。衡量不(bu)同(tong)材料(liao)絕緣(yuan)性好壞(huai)的(de)(de)一大(da)(da)重要指標是擊(ji)穿電(dian)(dian)場強度，表示材料(liao)能(neng)承受的(de)(de)最大(da)(da)電(dian)(dian)壓(ya)不(bu)造成電(dian)(dian)擊(ji)穿。作為(wei)(wei)對比(bi)，硅(gui)材料(liao)的(de)(de)擊(ji)穿電(dian)(dian)場強度為(wei)(wei)0.3 MV/cm左(zuo)右，SiC為(wei)(wei)3 MV/cm，GaN為(wei)(wei)5 MV/cm，而鉆(zhan)石則為(wei)(wei)10 MV/cm。而且即使是非常(chang)(chang)(chang)薄的(de)(de)鉆(zhan)石切片(pian)也(ye)具有非常(chang)(chang)(chang)高(gao)的(de)(de)電(dian)(dian)絕緣(yuan)性，能(neng)夠抵抗非常(chang)(chang)(chang)高(gao)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)。這對于功(gong)率電(dian)(dian)子(zi)學領域中的(de)(de)器(qi)件微型化是非常(chang)(chang)(chang)重要的(de)(de)。

因此(ci)，憑借(jie)極高(gao)的(de)導熱性和電絕緣性以及可(ke)與集成(cheng)電路晶圓直接粘合的(de)特點(dian)，使得鉆(zhan)石(shi)成(cheng)為(wei)理(li)想(xiang)的(de)半導體基底材料。

世(shi)界上首個110克拉、晶圓(yuan)大(da)小的(de)鉆石是如何制造出來的(de)?

創造出世界首個DF公司(si)的(de)創始(shi)團(tuan)隊由麻省理工(gong)學院、斯坦福大(da)學和普林斯頓大(da)學的(de)工(gong)程師組成(cheng)，大(da)約2012年之(zhi)前，他們(men)還(huan)是一家太陽能發電科(ke)技公司(si)，但是該公司(si)由于某些原因(yin)在商業上失敗了，然而(er)他們(men)卻發現(xian)類(lei)似太陽能的(de)技術卻可以生產(chan)更高(gao)價值的(de)鉆(zhan)(zhan)石。因(yin)此，自(zi)2012年開始(shi)，該團(tuan)隊開始(shi)設計生長鉆(zhan)(zhan)石的(de)等離子體反(fan)應(ying)(ying)器，2014年啟動了第一個等離子體反(fan)應(ying)(ying)器。2015年他們(men)生產(chan)出了第一顆單晶鉆(zhan)(zhan)石。2016年他們(men)的(de)鉆(zhan)(zhan)石開始(shi)大(da)量生產(chan)，被消費者(zhe)搶(qiang)售一空。事實(shi)證(zheng)明，鉆(zhan)(zhan)石確實(shi)是一門好生意(yi)，很快該公司(si)就實(shi)現(xian)了盈利(li)。

他們開(kai)始制(zhi)造(zao)越來越大(da)的鉆石，并開(kai)始追求半導體晶(jing)圓大(da)小的鉆石。2023年10月，他們成功制(zhi)造(zao)出了世界上第一塊單晶(jing)鉆石晶(jing)圓，直徑100毫(hao)米、重(zhong)110克(ke)拉。

這不(bu)是易事，長期以(yi)(yi)來，生產晶(jing)圓大小的(de)單晶(jing)鉆石一直(zhi)是難以(yi)(yi)實(shi)現(xian)的(de)技(ji)術(shu)圣(sheng)杯。單晶(jing)鉆石的(de)制(zhi)造過(guo)程一直(zhi)受到(dao)兩大技(ji)術(shu)挑戰(zhan)的(de)制(zhi)約：

一方面，使用傳統的高(gao)壓高(gao)溫(HPHT)技術(shu)培育大尺寸單晶鉆石(shi)所需(xu)承受的壓力(li)遠超任何已知材料的極限;

另(ling)一(yi)方面，按照單(dan)晶(jing)(jing)材料生(sheng)長的(de)基(ji)本原(yuan)(yuan)則(ze)(ze)：在生(sheng)長單(dan)晶(jing)(jing)材料時，通常需(xu)要一(yi)個(ge)已(yi)有(you)的(de)同種(zhong)材料的(de)單(dan)晶(jing)(jing)體作為“種(zhong)子(zi)(zi)”，這(zhe)個(ge)種(zhong)子(zi)(zi)會指導(dao)新(xin)添(tian)加的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)在何(he)(he)處正確地定位自己，以(yi)保持原(yuan)(yuan)有(you)的(de)晶(jing)(jing)體結(jie)構不變。簡單(dan)來(lai)說，就(jiu)(jiu)像是(shi)在已(yi)有(you)的(de)秩序(xu)排列(lie)的(de)隊(dui)列(lie)中加入新(xin)成員，如(ru)果(guo)沒有(you)一(yi)個(ge)明確的(de)示范，新(xin)來(lai)的(de)成員就(jiu)(jiu)不會知道如(ru)何(he)(he)加入隊(dui)列(lie)以(yi)保持隊(dui)列(lie)的(de)整齊。在單(dan)晶(jing)(jing)生(sheng)長的(de)情(qing)況(kuang)下，這(zhe)種(zhong)“隊(dui)列(lie)”的(de)秩序(xu)是(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)排列(lie)的(de)規則(ze)(ze)性和周期性，也就(jiu)(jiu)是(shi)晶(jing)(jing)格結(jie)構。如(ru)果(guo)沒有(you)一(yi)個(ge)模板來(lai)指導(dao)這(zhe)種(zhong)秩序(xu)的(de)創(chuang)建，那么(me)新(xin)增加的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)就(jiu)(jiu)無法形成所需(xu)的(de)單(dan)晶(jing)(jing)結(jie)構，可(ke)能會導(dao)致多晶(jing)(jing)或非晶(jing)(jing)結(jie)構的(de)形成，這(zhe)些結(jie)構的(de)性質與單(dan)晶(jing)(jing)大不相同。

因此，要想采用薄膜原子分層技(ji)術(shu)制造(zao)鉆(zhan)石則需要一個(ge)與晶圓(yuan)同樣大小的基體來指導原子沉積，但世界上并不存在(zai)晶圓(yuan)大小的鉆(zhan)石，必須要弄清(qing)楚如(ru)何(he)制造(zao)第一個(ge)用于生產更多晶圓(yuan)的“母”晶圓(yuan)。

DF公(gong)司首(shou)先采用了(le)一種稱為鉆(zhan)石晶(jing)圓(yuan)異質外延的極其復雜的技術，據(ju)其官網的描(miao)述：“我(wo)們(men)制(zhi)造(zao)的設(she)備能夠(gou)精(jing)確控制(zhi)十個原(yuan)子層如(ru)何撞擊硅晶(jing)片上銥和(he)釔(yi)穩定氧(yang)化鋯的納米級特殊夾層，我(wo)們(men)設(she)法讓前(qian)十個原(yuan)子誤以(yi)為底(di)部有單晶(jing)鉆(zhan)石，而實際上并沒有，從而為后(hou)續單晶(jing)鉆(zhan)石的制(zhi)造(zao)奠(dian)定了(le)基礎。”

然后在其等離子體設備中利用晶錠生(sheng)(sheng)長反(fan)應堆技(ji)術，嚴格控制鉆石(shi)單晶的(de)生(sheng)(sheng)長過(guo)程。據(ju)悉(xi)，他們為生(sheng)(sheng)產的(de)每克拉鉆石(shi)收集超過(guo)10億個數(shu)(shu)據(ju)點，在生(sheng)(sheng)長過(guo)程中動態調整(zheng)這些參數(shu)(shu)。

實現單晶鉆(zhan)石(shi)(shi)晶片(pian)的(de)挑戰(zhan)并不止于制造出晶圓大小的(de)母(mu)晶。接下來的(de)挑戰(zhan)是如何切割(ge)地球(qiu)上(shang)最堅(jian)硬的(de)材料。他們為(wei)此又開發了晶圓切割(ge)機，用來將單晶鉆(zhan)石(shi)(shi)錠切割(ge)成薄片(pian)。

接下(xia)來就(jiu)是要(yao)對切割下(xia)來的(de)薄片進行表面拋(pao)光。為了能夠(gou)嵌入原子(zi)尺寸的(de)晶(jing)體(ti)管，鉆石(shi)晶(jing)圓片也必須要(yao)滿足現在半導體(ti)晶(jing)圓的(de)表明要(yao)求。

為了(le)能將他們制造的(de)鉆石晶(jing)圓應用到半導(dao)體(ti)行業當(dang)中去，DF公(gong)司又開發了(le)芯(xin)片(pian)鍵(jian)合技術。能與(yu)當(dang)今眾多的(de)大功率硅(gui)芯(xin)片(pian)、SiC功率芯(xin)片(pian)以及GaN通信芯(xin)片(pian)直接進行原子化連接。為更多的(de)應用帶來無限(xian)的(de)潛力。

可以說，DF這家公(gong)司以其革命(ming)性(xing)的(de)(de)技術，已經打通了鉆石材料在半導(dao)體行(xing)業(ye)應(ying)用的(de)(de)全流程。接下來(lai)就看其在各應(ying)用當中的(de)(de)潛力了。

鉆石，要革芯片散熱的“命”

在(zai)當下人工(gong)智(zhi)能、云計(ji)算(suan)(suan)和(he)電(dian)動汽車和(he)無線通(tong)信等領域，復(fu)雜(za)的(de)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)使(shi)(shi)(shi)得(de)熱(re)(re)(re)(re)管(guan)理成為一大挑戰，尤其是在(zai)高(gao)(gao)(gao)性能計(ji)算(suan)(suan)任(ren)務(wu)中，這(zhe)種(zhong)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)(liang)的(de)產生尤為顯著。如(ru)果熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)(liang)不能有效散發，會在(zai)芯(xin)片(pian)上(shang)形(xing)成“熱(re)(re)(re)(re)點”，長期存在(zai)熱(re)(re)(re)(re)點會影(ying)響芯(xin)片(pian)的(de)穩(wen)定性和(he)壽命。但(dan)是鉆石的(de)高(gao)(gao)(gao)熱(re)(re)(re)(re)導率可以(yi)幫助(zhu)快速均勻地分散這(zhe)些(xie)熱(re)(re)(re)(re)點，并幫助(zhu)芯(xin)片(pian)上(shang)產生的(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)(liang)散發出去。由(you)于熱(re)(re)(re)(re)效率的(de)提高(gao)(gao)(gao)，芯(xin)片(pian)則可以(yi)在(zai)更高(gao)(gao)(gao)的(de)頻(pin)率下穩(wen)定運行而不會過熱(re)(re)(re)(re)。這(zhe)將(jiang)使(shi)(shi)(shi)得(de)芯(xin)片(pian)的(de)處理速度(du)可以(yi)提高(gao)(gao)(gao)，實現(xian)更快的(de)計(ji)算(suan)(suan)速度(du)。所以(yi)，鉆石材料最(zui)大的(de)優勢是通(tong)過使(shi)(shi)(shi)用最(zui)終的(de)熱(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)(liang)散發解決(jue)方案(an)來(lai)加速硅芯(xin)片(pian)的(de)性能。

據DF描述，鉆(zhan)石(shi)(shi)晶(jing)(jing)圓(yuan)在芯片(pian)內的(de)(de)高(gao)工(gong)(gong)作(zuo)負(fu)荷晶(jing)(jing)體管的(de)(de)原(yuan)子級(ji)距離內提供一個熱量超高(gao)速(su)通道，按(an)照理(li)想散(san)(san)熱的(de)(de)情況分析，能使人工(gong)(gong)智能和云計算領域的(de)(de)硅芯片(pian)速(su)度(du)提升3倍。按(an)照他們所(suo)剖出(chu)的(de)(de)原(yuan)理(li)圖，他們將(jiang)原(yuan)本被動硅的(de)(de)部分替(ti)換(huan)成為鉆(zhan)石(shi)(shi)，使用鉆(zhan)石(shi)(shi)基板作(zuo)為熱導(dao)層，在晶(jing)(jing)體管工(gong)(gong)作(zuo)產(chan)生(sheng)熱量時，熱量可以更快(kuai)速(su)、更有效(xiao)率地從活躍硅層傳遞到銅層并(bing)散(san)(san)發出(chu)去。

芯片(pian)散(san)熱的原理(li)：熱量從活躍硅層產(chan)生，需要通過被(bei)動硅層傳導到銅層，然后散(san)發(fa)出(chu)去(圖源：DF公司)

在電動汽(qi)車領域，逆(ni)(ni)(ni)變器(qi)是(shi)核心之一(yi)。目前(qian)電動汽(qi)車的(de)(de)(de)(de)代表(biao)特斯拉的(de)(de)(de)(de)Tesla 3逆(ni)(ni)(ni)變器(qi)可(ke)以說是(shi)業界(jie)最小(xiao)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)逆(ni)(ni)(ni)變器(qi)，但是(shi)基于鉆(zhan)石晶(jing)圓的(de)(de)(de)(de)導熱性和(he)電絕(jue)緣(yuan)性的(de)(de)(de)(de)極端特性使得新(xin)穎的(de)(de)(de)(de)架構(gou)能(neng)夠(gou)從根(gen)本(ben)上推進(jin)小(xiao)型(xing)(xing)化(hua)、效率和(he)魯棒性。據DF公司稱，他們(men)所打(da)造的(de)(de)(de)(de)新(xin)型(xing)(xing)逆(ni)(ni)(ni)變器(qi)比Tesla 3的(de)(de)(de)(de)逆(ni)(ni)(ni)變器(qi)尺寸縮小(xiao)六(liu)倍(如下圖(tu)所示)，而且還超越了其性能(neng)和(he)效率。第一(yi)批DF Perseus原(yuan)型(xing)(xing)已經在一(yi)級汽(qi)車 OEM 實驗室中完(wan)成并成功進(jin)行了測試。

我們都(dou)知道，GaN在高(gao)(gao)效無(wu)線通(tong)信領域的應(ying)(ying)用(yong)越來越重要，如(ru)果將鉆石(shi)(shi)(shi)與(yu)(yu)GaN結合使用(yong)，使用(yong)鉆石(shi)(shi)(shi)晶(jing)圓的GaN MOSFET能夠達到非(fei)鉆石(shi)(shi)(shi)GaN設備的三倍功率(lv)(lv)密度。這是因為(wei)鉆石(shi)(shi)(shi)基底能顯著提(ti)高(gao)(gao)散熱效率(lv)(lv)，降(jiang)低因高(gao)(gao)功率(lv)(lv)運作(zuo)而產生的熱應(ying)(ying)力。此外，通(tong)過在設備中將GaN原子與(yu)(yu)DF單(dan)晶(jing)鉆石(shi)(shi)(shi)互連，不僅(jin)增強了(le)其熱傳(chuan)導(dao)效率(lv)(lv)，還大幅提(ti)高(gao)(gao)了(le)整(zheng)個設備的可靠性和穩定性。

結語

綜上所述，鉆石(shi)材料的(de)(de)采(cai)用(yong)很可能會成為(wei)當今高性能計算應用(yong)領域技(ji)術(shu)進步的(de)(de)一個(ge)重要推(tui)(tui)動力(li)(li)。然而，面(mian)臨的(de)(de)挑戰(zhan)同樣不容小覷，尤其是成本(ben)問題——“鉆石(shi)”二字往往讓(rang)人聯想(xiang)到(dao)高昂(ang)的(de)(de)價值(zhi)。不過，我(wo)(wo)們可以從SiC材料的(de)(de)發展歷程中汲取啟(qi)示(shi)。早期，SiC的(de)(de)成本(ben)和(he)良率問題確實(shi)使得(de)許多產業望而卻步，但隨著(zhu)時間的(de)(de)推(tui)(tui)移，憑(ping)借業內多家企業和(he)專家的(de)(de)持續努力(li)(li)，SiC技(ji)術(shu)的(de)(de)成熟(shu)進展速度已(yi)經取得(de)令人矚目(mu)的(de)(de)成果。類似(si)的(de)(de)努力(li)(li)也(ye)在(zai)日本(ben)針對(dui)鉆石(shi)量產技(ji)術(shu)的(de)(de)研究中體現。我(wo)(wo)們有理由相信，在(zai)眾多行業共(gong)同推(tui)(tui)動下，鉆石(shi)材料將為(wei)我(wo)(wo)們的(de)(de)科(ke)技(ji)生(sheng)活帶(dai)來深遠(yuan)的(de)(de)影響。