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當今(jin)時(shi)代(dai)，半導(dao)體(ti)行業正(zheng)處于一個轉(zhuan)型的(de)關鍵(jian)時(shi)期，以硅為主導(dao)的(de)半導(dao)體(ti)領域面臨著高功率(lv)密度、高頻、高溫、高輻射等(deng)條件瓶(ping)頸；第(di)三代(dai)半導(dao)體(ti)順勢而起，以GaN和(he)SiC為代(dai)表的(de)新材料的(de)發(fa)展推動著功率(lv)器件不斷(duan)向大功率(lv)、小型化、集成化和(he)多功能(neng)方(fang)向前進，但(dan)散熱、能(neng)效等(deng)關鍵(jian)特性依舊是(shi)業界矢志不渝的(de)追求方(fang)向。
在(zai)追(zhui)求極致性能(neng)與效率的時代，一場由金(jin)剛石引領的芯片革命正(zheng)悄然興(xing)起。
金(jin)剛石，指(zhi)的(de)就是還未經打磨的(de)鉆石原石。那么(me)，作(zuo)為(wei)一種闖(chuang)入了大家視線中的(de)新半(ban)導體材料，“鉆石”芯片(pian)究竟有(you)何魅力？無限可能背(bei)后(hou)，進(jin)展與挑戰并存。
“鉆石”芯片，魅力何在？
被譽(yu)為(wei)“自然(ran)界最堅硬物(wu)質”的(de)(de)金(jin)剛石，不僅硬度驚人，還擁(yong)有(you)卓越的(de)(de)導(dao)熱性能(neng)、極高的(de)(de)電(dian)子遷移(yi)率，擁(yong)有(you)耐(nai)高壓、大(da)射頻(pin)、低成本、耐(nai)高溫等多重(zhong)優異性能(neng)參(can)數，以及其他優異的(de)(de)物(wu)理特性。
具體來(lai)看(kan)，金剛石半導體具有(you)超(chao)寬禁帶（5.45eV）、高擊(ji)穿(chuan)場強（10MV/cm）、高載(zai)流子(zi)飽和漂移速度(du)、高熱(re)導率（2000W/m·k）等材料特性(xing)，以(yi)及(ji)優異的器(qi)件品質因子(zi)（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯(chen)底可研制高溫、高頻、大(da)功率、抗輻照電子(zi)器(qi)件，克(ke)服器(qi)件的“自熱(re)效(xiao)應(ying)”和“雪崩(beng)擊(ji)穿(chuan)”等技術瓶(ping)頸。
此(ci)外，金剛石擁(yong)有優異的物理特性，在光(guang)(guang)學領域(yu)具(ju)有良好透光(guang)(guang)性和(he)折射率，適(shi)用于光(guang)(guang)電(dian)器件的研(yan)發；電(dian)學方面(mian)，其絕緣性能(neng)(neng)和(he)介電(dian)常數(shu)使其在復雜(za)電(dian)路中發揮穩(wen)定作用；機械性能(neng)(neng)方面(mian)，高(gao)強度和(he)耐磨性確(que)保芯(xin)片能(neng)(neng)夠承受極端工作條件。
這(zhe)些特(te)性使(shi)得金剛石在(zai)(zai)芯片制造領(ling)(ling)域展(zhan)現出巨大(da)潛力，常被(bei)(bei)用于高功率密(mi)度(du)、高頻率電子器件的(de)散熱。在(zai)(zai)5G/6G通信，微波/毫米波集成(cheng)電路、探測與(yu)傳感等(deng)領(ling)(ling)域發(fa)展(zhan)起到重要(yao)作(zuo)用。金剛石半(ban)(ban)導體(ti)被(bei)(bei)認為是極具(ju)前景(jing)的(de)新(xin)型半(ban)(ban)導體(ti)材(cai)料(liao)，被(bei)(bei)業界譽為“終極半(ban)(ban)導體(ti)材(cai)料(liao)”。
通過使(shi)用金剛石電(dian)子器件，不僅可以(yi)減輕傳(chuan)統半導(dao)體(ti)的(de)(de)熱管理需求(qiu)，而且這些設備的(de)(de)能源(yuan)效率更高(gao)，并且可以(yi)承受更高(gao)的(de)(de)擊(ji)穿電(dian)壓和(he)惡劣的(de)(de)環境(jing)。
例如(ru)，在(zai)電動汽車中，基于金剛石(shi)(shi)的(de)(de)功(gong)率(lv)電子(zi)器件可(ke)以(yi)(yi)實現更(geng)(geng)高(gao)(gao)效的(de)(de)功(gong)率(lv)轉換、延長(chang)電池壽命以(yi)(yi)及縮短充電時間；在(zai)電信領域(yu)，尤其是(shi)在(zai)5G及更(geng)(geng)高(gao)(gao)級別(bie)網絡的(de)(de)部署(shu)中，對高(gao)(gao)頻(pin)(pin)和高(gao)(gao)功(gong)率(lv)器件的(de)(de)需求日益增長(chang)。單晶(jing)金剛石(shi)(shi)基板提供了必要的(de)(de)熱管(guan)理和頻(pin)(pin)率(lv)性能，支(zhi)持(chi)下一(yi)代(dai)通信系統，包括射頻(pin)(pin)開(kai)(kai)關(guan)、放大(da)器和發(fa)射器；消費(fei)電子(zi)領域(yu)，單晶(jing)金剛石(shi)(shi)基板可(ke)以(yi)(yi)推(tui)動更(geng)(geng)小、更(geng)(geng)快、更(geng)(geng)高(gao)(gao)效的(de)(de)智能手機、筆記本電腦和可(ke)穿戴設備(bei)組件的(de)(de)開(kai)(kai)發(fa)，從而帶(dai)來新(xin)的(de)(de)產(chan)品(pin)創新(xin)并提高(gao)(gao)消費(fei)電子(zi)市場的(de)(de)整體性能。
據(ju)市(shi)場(chang)調(diao)研機構Virtuemarket數(shu)據(ju)指出(chu)，2023年(nian)全球(qiu)金剛石(shi)半導體基(ji)材市(shi)場(chang)價值(zhi)為(wei)1.51億美(mei)元(yuan)，預(yu)(yu)計到(dao)2030年(nian)底(di)(di)市(shi)場(chang)規模(mo)將(jiang)達到(dao)3.42億美(mei)元(yuan)。在(zai)2024-2030年(nian)的(de)(de)預(yu)(yu)測復合年(nian)增長(chang)率為(wei)12.3%。其中，在(zai)中國、日本和韓國等國家電子和半導體行業不斷增長(chang)的(de)(de)需求的(de)(de)推動下，亞太地區(qu)預(yu)(yu)計將(jiang)主導金剛石(shi)半導體襯(chen)底(di)(di)市(shi)場(chang)，到(dao)2023年(nian)預(yu)(yu)計將(jiang)占(zhan)全球(qiu)收(shou)入份(fen)額的(de)(de)40%以上。
特性優勢(shi)和(he)廣闊前景驅動下，金(jin)剛石在半導體產業(ye)鏈上的(de)多個環節已經展現出(chu)巨(ju)大的(de)潛力和(he)價值。從熱沉、封裝到微納加工，再(zai)到BDD電極及量(liang)子科技(ji)應(ying)用，金(jin)剛石正逐步滲透到半導體行業(ye)的(de)各個關鍵領(ling)域，推動技(ji)術創(chuang)新(xin)與產業(ye)升級。
熱(re)(re)(re)(re)沉與(yu)散熱(re)(re)(re)(re)：金剛石憑卓越(yue)熱(re)(re)(re)(re)導(dao)與(yu)絕緣性(xing)能成(cheng)為高功率(lv)散熱(re)(re)(re)(re)首選，金剛石單晶熱(re)(re)(re)(re)沉片的熱(re)(re)(re)(re)導(dao)率(lv)是銅(tong)、銀的5倍。在半導(dao)體激(ji)光器中(zhong)，金剛石熱(re)(re)(re)(re)沉片顯著提升散熱(re)(re)(re)(re)，減(jian)低熱(re)(re)(re)(re)阻，增強輸出功率(lv)，延(yan)長(chang)壽命(ming)。
這一特性使得(de)金(jin)剛石在新能源(yuan)汽車、工業控制等(deng)領域的(de)高功率IGBT模塊中也具(ju)有廣泛的(de)應(ying)用前景，有助于實現更(geng)高效的(de)散熱和(he)更(geng)高的(de)功率密度。
目前高功率(lv)半導體激光器普遍(bian)使用(yong)的散熱(re)(re)材(cai)料是氮化鋁熱(re)(re)沉(chen)，將(jiang)其作(zuo)(zuo)為過渡(du)熱(re)(re)沉(chen)燒結在(zai)銅熱(re)(re)沉(chen)上。但在(zai)熱(re)(re)導率(lv)要求(qiu)1000~2000W/m·k之(zhi)間時，金(jin)剛(gang)石是當前首選甚至唯一可(ke)選的熱(re)(re)沉(chen)材(cai)料。金(jin)剛(gang)石用(yong)作(zuo)(zuo)熱(re)(re)沉(chen)材(cai)料主要有兩種(zhong)形式(shi)，即金(jin)剛(gang)石薄膜和(he)將(jiang)金(jin)剛(gang)石與銅、鋁等(deng)金(jin)屬復合。
半導(dao)(dao)(dao)體(ti)封裝(zhuang)基板：基板是裸芯片封裝(zhuang)中(zhong)熱(re)傳導(dao)(dao)(dao)的關鍵環節。Al2O3陶(tao)瓷是目前(qian)產量(liang)最多、應(ying)用(yong)最廣的陶(tao)瓷基片，但由于其熱(re)膨脹系數 （7.2×10-6/℃） 和介電(dian)常數 （9.7） 相(xiang)對Si單晶而言偏(pian)高(gao)， 熱(re)導(dao)(dao)(dao)率 （15-35W/ （m·K） ） 仍然不(bu)夠高(gao)， 導(dao)(dao)(dao)致Al2O3陶(tao)瓷基片并不(bu)適(shi)合在(zai)高(gao)頻、大(da)功(gong)率、超大(da)規模集成電(dian)路中(zhong)使(shi)用(yong)。
因此， 隨著微電子技術的發(fa)展，高(gao)(gao)密度組(zu)裝(zhuang)、小(xiao)型(xing)化特性愈發(fa)明顯，組(zu)件熱流密度越來(lai)越大，對新型(xing)基(ji)(ji)板材(cai)料(liao)的要求越來(lai)越高(gao)(gao)。開發(fa)高(gao)(gao)熱導率、性能更(geng)為完善(shan)的基(ji)(ji)片材(cai)料(liao)成為大勢所趨。隨之高(gao)(gao)導熱陶瓷基(ji)(ji)片材(cai)料(liao)AlN、SI3N4、SiC、金(jin)剛石等逐(zhu)步進入市場之中(zhong)。
其(qi)中，金剛石憑(ping)借高(gao)熱導率、低熱膨(peng)脹系數和良好的(de)(de)(de)穩定性，逐漸成為新一(yi)代封裝(zhuang)(zhuang)基(ji)(ji)板材料的(de)(de)(de)關(guan)注(zhu)焦點。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高(gao)導熱金屬基(ji)(ji)體復合，制備出(chu)的(de)(de)(de)金剛石/金屬基(ji)(ji)復合材料已初步展現出(chu)其(qi)在電子封裝(zhuang)(zhuang)領域的(de)(de)(de)巨(ju)大潛力。
雖然單一的(de)金剛(gang)石不易(yi)制作成(cheng)封(feng)(feng)裝(zhuang)材料，且成(cheng)本較(jiao)高，但其(qi)優勝于其(qi)他陶(tao)瓷(ci)基板材料數十(shi)倍甚(shen)至上(shang)百倍的(de)熱(re)導率，也讓許多大(da)廠紛紛投入(ru)研(yan)究。特別是在算力需(xu)求激增的(de)當下，金剛(gang)石封(feng)(feng)裝(zhuang)基板為高性(xing)能芯(xin)片的(de)散(san)熱(re)問題提供了創新解決方案，助力AI、數據中(zhong)心(xin)等行(xing)業的(de)快速發展。
微(wei)納加(jia)(jia)工：第三代(dai)半(ban)導體材料(liao)如碳化硅、氮化鎵加(jia)(jia)工困難，金剛石微(wei)粉及其產品因超硬特性成加(jia)(jia)工利器。
例如在碳化硅晶體的切割(ge)、研磨和(he)(he)拋(pao)光等環節，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石工具(ju)發揮了關鍵作用。此外(wai)，隨著5G、物聯網等技術的普及，消(xiao)費(fei)電子行業(ye)對精(jing)密加工的需求(qiu)日益增加，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石刀具(ju)和(he)(he)微粉制品為金(jin)(jin)(jin)屬、陶瓷和(he)(he)脆性材料提供(gong)了高質量的精(jing)密表(biao)面(mian)處理方案，推(tui)動了行業(ye)的技術進(jin)步和(he)(he)產(chan)業(ye)升級。
此(ci)外，金剛石(shi)在光學窗口、BDD電極、量子科技等諸多領域頗(po)具(ju)優勢，被視為未來半導(dao)體(ti)材(cai)料的有力競(jing)爭(zheng)者。
“鉆石”芯片產業化，進展不斷
目(mu)前，全球都在加緊金剛石在半導體領域的研制(zhi)工作(zuo)。
Element Six贏得UWBGS項(xiang)目
近(jin)日，Element Six（元素(su)六）公司正(zheng)在主導(dao)美(mei)國一個(ge)關鍵(jian)項目-開發使(shi)用單晶（SC）金剛(gang)石(shi)襯底(di)的超(chao)寬帶高(gao)功(gong)率半(ban)(ban)導(dao)體。該項目是(shi)由美(mei)國國防高(gao)級(ji)研究計劃局（DARPA）主導(dao)的超(chao)寬帶隙半(ban)(ban)導(dao)體（UWBGS）計劃的一部分，旨在開發下一代面向(xiang)國防和商業應用的先進半(ban)(ban)導(dao)體技術，突破(po)半(ban)(ban)導(dao)體的性能和效率極限。
雖(sui)然制(zhi)備(bei)的(de)(de)大尺(chi)寸(cun)金(jin)剛石(shi)晶圓可應(ying)用于熱(re)沉和光學(xue)領域(yu)，但在電子(zi)級半導體領域(yu)的(de)(de)商業化應(ying)用存在很多(duo)難(nan)題(ti)(ti)。比如大尺(chi)寸(cun)單晶金(jin)剛石(shi)的(de)(de)合成、剝離(li)及研磨拋光的(de)(de)技術(shu)問題(ti)(ti)還有待進一(yi)步解決。
為此，Element Six與(yu)(yu)多個半導(dao)體(ti)行(xing)業的(de)(de)關(guan)鍵參與(yu)(yu)者建(jian)立了(le)戰略合作(zuo)伙伴(ban)關(guan)系，包括法國的(de)(de)Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神(shen)公司，以及(ji)美國的(de)(de)斯(si)坦福大學和(he)普林(lin)斯(si)頓大學。這些合作(zuo)將晶(jing)體(ti)位錯工程(cheng)、射頻氮化鎵(jia)技術以及(ji)材料表(biao)面和(he)體(ti)積(ji)處理的(de)(de)專業知識(shi)集成在一起(qi)，對于推動超(chao)寬帶隙半導(dao)體(ti)技術的(de)(de)發展(zhan)至關(guan)重要。
據悉，Element Six是(shi)鉆石(shi)(shi)公司De Beers的(de)(de)子公司，總部位于英國倫敦，是(shi)單晶金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)和多晶金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)合成方面的(de)(de)領軍企業(ye)，其(qi)在化(hua)學氣(qi)相沉積（CVD）技術(shu)方面擁有豐富的(de)(de)經(jing)驗。
Element Six對UWBGS計劃的(de)貢獻將(jiang)利用該公司在大面積CVD聚晶金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)和高質量單晶（SC）金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)合成(cheng)方面的(de)專業知識(shi)，實現4英寸設備級SC金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)基(ji)板。
SC金(jin)剛石襯底是實(shi)現先進電子(zi)產品的(de)關(guan)鍵(jian)，包括大功率(lv)射頻開(kai)關(guan)、雷達和通信(xin)放大器(qi)、高壓功率(lv)開(kai)關(guan)、極端(duan)環境(jing)的(de)高溫電子(zi)產品、深紫外LED和激光器(qi)，支撐著數十億美元的(de)系(xi)統市場。
Element Six能夠生(sheng)產出(chu)高(gao)質量(liang)且具有高(gao)度有序晶體(ti)結(jie)構的(de)單晶金(jin)剛石晶圓。目前，SC金(jin)剛石襯底已用于(yu)CERN大型強子(zi)對撞機的(de)監(jian)測系統，并幫(bang)助發現了希格斯玻色子(zi)粒(li)子(zi)。Element Six與高(gao)功率半導體(ti)領導者 ABB 合(he)作，實現了首款高(gao)壓(ya)塊狀(zhuang)金(jin)剛石肖特(te)基二(er)極管。此外，Element Six最近在俄勒(le)岡州波特(te)蘭市完(wan)成(cheng)了先(xian)進(jin) CVD 設施的(de)建設和調試(shi)，該設施利用其核心技(ji)術，由(you)可再(zai)生(sheng)能源提供動(dong)力。
在多晶(jing)金剛石(shi)方面，Element Six的(de)多晶(jing)金剛石(shi)晶(jing)片直徑已超4英(ying)寸，被廣(guang)泛(fan)應(ying)用于EUV 光刻中的(de)光學窗口以(yi)及高(gao)功率密度Si和GaN半導體器(qi)件(jian)的(de)熱管理應(ying)用。
此(ci)外，在高(gao)壓器件方面，Element Six與瑞士企業ABB合作(zuo)，實(shi)現了首款(kuan)高(gao)壓塊狀金(jin)剛石(shi)肖特(te)基二極管，展示了基于金(jin)剛石(shi)的半導體在改變功率(lv)電子領域中的潛力。
同(tong)時，Element Six正在與其合(he)作伙(huo)伴(ban)擴(kuo)展在金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)技術方面的(de)(de)核心能力。通過與日本Orbray進行知識(shi)產(chan)權(quan)和(he)(he)設備的(de)(de)交叉許可。Orbray已建立了直徑(jing)(jing)為55毫米(mi)（約2英(ying)寸(cun)）的(de)(de)單晶(jing)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)基底(di)的(de)(de)制造技術，該基底(di)比傳統(tong)基底(di)更大。這將結合(he)Element Six的(de)(de)CVD（化學氣相沉(chen)積）技術和(he)(he)Orbray的(de)(de)專業知識(shi)，該技術可以(yi)沉(chen)積直徑(jing)(jing)達150毫米(mi)（約6英(ying)寸(cun)）的(de)(de)鉆(zhan)石(shi)。其目標是建立具有優異(yi)耐壓和(he)(he)散(san)熱性能的(de)(de)下一代功率半導(dao)體(ti)和(he)(he)通信半導(dao)體(ti)用大直徑(jing)(jing)單晶(jing)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)基板的(de)(de)制造技術，擴(kuo)大單晶(jing)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)晶(jing)圓的(de)(de)生(sheng)產(chan)規模，并(bing)在超寬帶隙半導(dao)體(ti)市場中占據更大的(de)(de)市場份額(e)。
另外，Element Six近(jin)日在俄勒岡州波(bo)特蘭市完(wan)成(cheng)了一個先(xian)進的(de)CVD設施(shi)(shi)的(de)建設和調試，該設施(shi)(shi)由可再生(sheng)能源驅動(dong)，能夠大(da)規模生(sheng)產(chan)高質量的(de)單晶金剛石基板(ban)。
需要強(qiang)調的是(shi)(shi)，金(jin)剛(gang)石(shi)分(fen)為單(dan)晶和多晶兩種。多晶金(jin)剛(gang)石(shi)一(yi)般用于熱(re)沉、紅外和微(wei)波窗口、耐(nai)磨涂(tu)層等方面(mian)，但它(ta)不能真正(zheng)發揮金(jin)剛(gang)石(shi)的優異(yi)電(dian)學(xue)性(xing)能，這(zhe)是(shi)(shi)由于其內部存在(zai)晶界，會導致載(zai)流子(zi)遷(qian)移率(lv)及(ji)電(dian)荷收集效率(lv)大幅度降低，使得(de)其所制備(bei)的電(dian)子(zi)器件性(xing)能受到嚴重抑制；單(dan)晶金(jin)剛(gang)石(shi)則不會有這(zhe)種顧慮，一(yi)般用于探測器和功率(lv)器件等關鍵領域(yu)。
多年來，采用(yong)(yong)(yong)高(gao)壓高(gao)溫技(ji)術（HPHT）制造(zao)的合(he)成(cheng)(cheng)金(jin)(jin)剛(gang)石廣(guang)泛應(ying)用(yong)(yong)(yong)于(yu)研磨應(ying)用(yong)(yong)(yong)，充分發揮了金(jin)(jin)剛(gang)石極高(gao)硬(ying)度和極強耐磨性(xing)的特性(xing)。在過去(qu)20年中，基(ji)于(yu)化(hua)學氣相沉積（CVD）的新金(jin)(jin)剛(gang)石生成(cheng)(cheng)方法已投入商業化(hua)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，這(zhe)樣就使得以(yi)較低成(cheng)(cheng)本(ben)生成(cheng)(cheng)單(dan)晶和多晶金(jin)(jin)剛(gang)石。這(zhe)些新合(he)成(cheng)(cheng)方法支(zhi)持(chi)全面開發利用(yong)(yong)(yong)金(jin)(jin)剛(gang)石的光學、熱學、電化(hua)、化(hua)學以(yi)及電子屬性(xing)。
華為布局(ju)金(jin)剛石
2023年11月(yue)，華為(wei)與哈爾濱工業(ye)大學聯(lian)合(he)(he)申請的(de)一項專(zhuan)利《一種基(ji)于硅(gui)和(he)(he)金剛石(shi)的(de)三維集成芯片的(de)混(hun)(hun)合(he)(he)鍵(jian)合(he)(he)方法(fa)》，這項專(zhuan)利涉及一種基(ji)于硅(gui)和(he)(he)金剛石(shi)的(de)三維集成芯片的(de)混(hun)(hun)合(he)(he)鍵(jian)合(he)(he)方法(fa)。
具體(ti)來看，就(jiu)是通過(guo)Cu/SiO2混合鍵合技術將硅基與金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)襯底材(cai)料(liao)進行三(san)維集成(cheng)。華為希望通過(guo)兩者的結(jie)合，充分利用硅基半導體(ti)和金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)的不(bu)同優(you)勢。
在專(zhuan)利書中提(ti)及(ji)(ji)，“隨著集成密度不斷升(sheng)高以及(ji)(ji)特征尺寸不斷縮小，電子芯(xin)(xin)片(pian)的(de)熱(re)管理面臨極(ji)大(da)的(de)挑(tiao)戰。芯(xin)(xin)片(pian)內(nei)部熱(re)積累難以向封(feng)裝表層(ceng)散熱(re)片(pian)傳遞，導致內(nei)部節溫突升(sheng)，嚴重(zhong)威脅芯(xin)(xin)片(pian)性能、穩定性和使用(yong)壽(shou)命。”該專(zhuan)利利用(yong)的(de)就是金剛石的(de)高散熱(re)性，想(xiang)要為三(san)維集成的(de)硅基器件提(ti)供散熱(re)通道以提(ti)高器件的(de)可靠(kao)性。
今年3月，廈門(men)大學于(yu)(yu)大全教授團(tuan)隊與華為團(tuan)隊合作開發了基于(yu)(yu)反應性(xing)納米金屬層(ceng)的(de)金剛石低溫鍵合技術，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuan)接板封(feng)裝芯片的(de)背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性(xing)。
Diamond Foundry，
培育全球首個單晶金剛石晶圓
一家由(you)麻(ma)省(sheng)理(li)工(gong)、斯(si)坦福大學(xue)、普林(lin)斯(si)頓大學(xue)的(de)工(gong)程師創立的(de)企(qi)業——Diamond Foundry，在(zai)金(jin)剛(gang)石芯片方面(mian)也取(qu)得了進展。
據了解，這家(jia)企業希望使用單(dan)晶金(jin)剛石(shi)晶圓解決(jue)，限制人工(gong)智能、云計算芯(xin)(xin)片、電(dian)動汽車電(dian)力電(dian)子(zi)器件和無線(xian)通信芯(xin)(xin)片的熱(re)挑戰。
2023年10月，Diamond Foundry培育(yu)出了世界上第一(yi)個(ge)單晶(jing)(jing)金剛(gang)石(shi)晶(jing)(jing)片，具體(ti)的(de)(de)數據(ju)上，這(zhe)個(ge)金剛(gang)石(shi)晶(jing)(jing)片直徑100毫米、重(zhong)量100克(ke)拉。Diamond Foundry目前已經可以(yi)在反應爐中(zhong)培育(yu)出4英寸長寬、小于3毫米厚度的(de)(de)鉆石(shi)晶(jing)(jing)圓，而這(zhe)些晶(jing)(jing)圓可以(yi)和硅芯片一(yi)同使用，快速傳導并釋放芯片所產(chan)生的(de)(de)熱量。
Diamond Foundry開發了一套技術，為每個(ge)芯(xin)片(pian)植入鉆石。以原子的方式(shi)直接連接金剛石，將半導體芯(xin)片(pian)粘合(he)到(dao)金剛石晶圓(yuan)基(ji)板上，以消除限制其性能的散熱瓶頸(jing)。
熱量情況對比
（圖源：Diamond Foundry）
這一方(fang)案的(de)優勢在(zai)(zai)于，可以使得(de)芯片的(de)運行速(su)度至少是額(e)定速(su)度的(de)兩(liang)倍。Diamond Foundry工程師表示(shi)，在(zai)(zai)英偉達最強大(da)的(de)AI芯片之一上(shang)使用這種(zhong)方(fang)法(fa)，在(zai)(zai)實驗條件下甚至能夠(gou)將其額(e)定的(de)速(su)度增(zeng)加到三倍。
據(ju)Diamond Foundry早些時(shi)候透(tou)露，希望能夠在2023年后(hou)引入單金剛(gang)石晶片，并在每個(ge)芯(xin)片后(hou)面放置(zhi)一(yi)顆(ke)金剛(gang)石；預計在2033年前(qian)后(hou)，將(jiang)金剛(gang)石引入半導體。
Advent Diamond：金剛石摻磷技術(shu)
美國的(de)Advent Diamond也(ye)是這(zhe)樣(yang)一家(jia)致(zhi)力于將(jiang)金(jin)剛(gang)石半導體材料量(liang)產(chan)的(de)初(chu)創(chuang)公司，今(jin)年4月(yue)，Advent Diamond披(pi)露(lu)了在(zai)這(zhe)一方(fang)面的(de)進展。
據了解，Advent Diamond 公(gong)司的(de)(de)(de)核心創新之一是在(zai)(zai)(zai)首選基底上(shang)生(sheng)長(chang)(chang)單晶摻磷金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力，它是美國唯(wei)一一家擁有該能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)公(gong)司。摻磷技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)意義尤(you)其重大，因(yin)為(wei)它能(neng)(neng)在(zai)(zai)(zai)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)中制造出n型半(ban)導體，而這正是電子設備(bei)開發的(de)(de)(de)關鍵要素。此外(wai)，Advent Diamond 公(gong)司在(zai)(zai)(zai)大面(mian)積生(sheng)長(chang)(chang)摻硼(peng)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)層方面(mian)也取(qu)得了里程碑(bei)式的(de)(de)(de)進展(zhan)，拓展(zhan)了基于金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)電子產(chan)品的(de)(de)(de)潛在(zai)(zai)(zai)應用領域。
Advent Diamond的專(zhuan)業技(ji)(ji)(ji)術不僅限于材料生長，還包(bao)括全面的元件設計、制造和(he)(he)表征能(neng)力。這包(bao)括蝕刻(ke)、光刻(ke)和(he)(he)金屬化等先進(jin)的潔凈室工藝，以及顯微鏡(jing)、橢偏儀和(he)(he)電(dian)學測量等一整套表征技(ji)(ji)(ji)術。Advent Diamond表示，自(zi)己利用(yong)這種尖端(duan)生長技(ji)(ji)(ji)術，開(kai)發出了雜質濃度極低的本征金剛石層，確保了半(ban)導體級金剛石材料的最(zui)高質量和(he)(he)性能(neng)標準。
據了解(jie)，目前Advent Diamond已(yi)有1-2英(ying)寸的(de)鑲嵌金剛石晶(jing)圓(yuan)，并(bing)正(zheng)在努力將晶(jing)片尺寸擴大到4英(ying)寸。然而，缺(que)陷(xian)(xian)密度仍然是一個關鍵問題，大多數晶(jing)片的(de)缺(que)陷(xian)(xian)約(yue)為108個/cm2或更高，必須將缺(que)陷(xian)(xian)降低到103缺(que)陷(xian)(xian)/cm2，才(cai)能(neng)實現(xian)預(yu)期性(xing)能(neng)。
法國(guo)公司(si)Diamfab：
2025年實現(xian)4英寸(cun)金剛(gang)石晶(jing)圓
此外(wai)，位于法國的(de)半導(dao)體金剛(gang)石初創公司Diamfab也在(zai)為了(le)金剛(gang)石芯片(pian)的(de)技術而(er)不斷努力。
Diamfab是(shi)法(fa)國(guo)(guo)國(guo)(guo)家科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)中心(xin)（CNRS）實驗室奈爾研(yan)(yan)究(jiu)所（Institut Néel）的(de)衍生產品，也是(shi)30年來合成(cheng)金(jin)剛石(shi)生長研(yan)(yan)發的(de)成(cheng)果。Diamfab項(xiang)目最初在格(ge)勒諾布爾阿(a)爾卑斯SATT Linksium進行孵化，該(gai)公司于2019年3月成(cheng)立(li)，由兩位納米(mi)電子學(xue)博士和(he)半(ban)導體金(jin)剛石(shi)領域(yu)公認的(de)研(yan)(yan)究(jiu)人員Gauthier Chicot和(he)Khaled Driche創辦。
Diamfab表(biao)示，為了滿(man)足汽(qi)車(che)、可(ke)再(zai)生能源和(he)量子產業的半導體和(he)功率元件市場(chang)需求(qiu)，公(gong)司在合(he)成(cheng)金剛(gang)石(shi)的外延和(he)摻雜(za)領(ling)域開發出了突破性技術，并(bing)擁(yong)有(you)四項專利，其專長(chang)在于薄金剛(gang)石(shi)層的生長(chang)和(he)摻雜(za)，以及金剛(gang)石(shi)電(dian)子元件的設計。
今年3月，該公司(si)宣(xuan)布獲得870萬歐元(yuan)的(de)首輪(lun)融(rong)資。這輪(lun)融(rong)資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗生(sheng)產線，對其(qi)技術進行(xing)工業化(hua)前處理，加(jia)速其(qi)發展，從(cong)而(er)滿足對金剛石半導體(ti)日益增長的(de)需求。
Diamfab已(yi)經(jing)申請了全金剛石(shi)電(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)專利(li)，并(bing)在與該領域(yu)的(de)(de)(de)領先企(qi)業合作(zuo)。Diamfab首席執(zhi)行(xing)官Gauthier Chicot說(shuo)道：“在其他參數中，我(wo)們(men)已(yi)經(jing)實現(xian)了我(wo)們(men)的(de)(de)(de)目標：超過1000A/cm2的(de)(de)(de)高電(dian)流密度和大(da)于(yu)(yu)7.7MV/cm 的(de)(de)(de)擊穿(chuan)電(dian)場。這些是未來設備性能的(de)(de)(de)關鍵參數，并(bing)且已(yi)經(jing)優(you)于(yu)(yu)SiC等現(xian)有(you)材料為電(dian)力(li)電(dian)子設備提(ti)供的(de)(de)(de)參數。此外，我(wo)們(men)有(you)一個明(ming)確(que)的(de)(de)(de)路線圖(tu)，到2025年實現(xian)4英(ying)寸晶圓，作(zuo)為大(da)規模生產的(de)(de)(de)關鍵推動因(yin)素。”
日本全面(mian)發力(li)金剛石芯(xin)片產(chan)業
根(gen)據(ju)已經宣布的(de)研究成果(guo)來看，日(ri)本對于金(jin)剛石芯片的(de)產業化探索更加(jia)全面。
從2022年開(kai)始(shi)，日(ri)本(ben)(ben)生成了可(ke)用(yong)于量(liang)子計(ji)算項目(mu)純度(du)的金剛石晶圓；2023年年初(chu)，日(ri)本(ben)(ben)佐(zuo)賀大(da)(da)學(xue)教授和日(ri)本(ben)(ben)精密零部(bu)件制(zhi)造商Orbray，合作(zuo)開(kai)發了一個(ge)金剛石制(zhi)成的功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)，這個(ge)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)可(ke)以以1cm2 875兆瓦的電力(li)運行，在金剛石半(ban)導(dao)(dao)體(ti)中，輸出功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)值為全球(qiu)最高；同年8月，日(ri)本(ben)(ben)的千葉(xie)大(da)(da)學(xue)科研團隊提出了一種(zhong)新(xin)的激光(guang)技術可(ke)以沿著最佳(jia)晶體(ti)平面(mian)“毫不費力(li)地切割”鉆石。
千葉大學科研團隊切割方式
基于激光(guang)的(de)切割工藝，可(ke)以干凈地(di)切割鉆石(shi)(shi)而不破壞鉆石(shi)(shi)。研(yan)究人員(yuan)表示(shi)，新(xin)技(ji)術通過將短激光(guang)脈沖聚焦到材料內狹窄的(de)錐形體積上，防止激光(guang)切割過程(cheng)中不良裂紋的(de)傳播。
千葉大學表示，這項新提出的(de)(de)(de)技術可能是將鉆(zhan)石(shi)轉變(bian)為“適(shi)合未來更高效(xiao)技術的(de)(de)(de)半導(dao)(dao)體(ti)(ti)材料”的(de)(de)(de)關鍵一步。Hidai教授(shou)表示，用激光切割鉆(zhan)石(shi)“能夠以(yi)低成本生產高質量的(de)(de)(de)晶圓”，并且對于制造鉆(zhan)石(shi)半導(dao)(dao)體(ti)(ti)器件是必不可少的(de)(de)(de)。
美國公司Akhan
Akhan公司專門從事實驗室制造(zao)合成電子(zi)級金(jin)(jin)剛石材料，早在2021年8月，Akhan就宣布開發(fa)出首款(kuan)將CMOS硅與金(jin)(jin)剛石基板(ban)結合在一起(qi)的(de)300毫米(mi)晶圓，取得了階段性(xing)里程碑(bei)。
2013年左右，Akhan又獲得了(le)美(mei)國(guo)能(neng)源(yuan)部(bu)阿貢國(guo)家實驗室開發的(de)突破性低(di)溫金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)沉積(ji)技(ji)(ji)術的(de)獨家金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)半導體應(ying)用(yong)許可(ke)(ke)權。這項技(ji)(ji)術可(ke)(ke)以在(zai)低(di)至(zhi)400攝氏度的(de)溫度下在(zai)各種晶片基底材料上沉積(ji)納米金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)。來自阿貢的(de)低(di)溫金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)技(ji)(ji)術與Akhan的(de)Miraj Diamond工藝相結合(he)，打(da)破了(le)半導體行業中金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)薄(bo)膜的(de)使用(yong)僅限于p型摻雜的(de)障礙(ai)。
后續，Akhan又宣布了(le)其(qi)Miraj Diamond平臺，它開發了(le)一種申請專利的(de)新工藝(yi)，其(qi)中在硅上創建n型金剛石材料，具有以前未證(zheng)實的(de)特性(xing)。
在半導體行業觀(guan)察此(ci)前文章《金(jin)剛(gang)石(shi)芯片，商(shang)用在即》中提到，Akhan的(de)創(chuang)始人兼首席執行官(guan)Adam Khan在今年(nian)1月成立了新(xin)公(gong)司Diamond Quanta，專注(zhu)于半導體領域，目的(de)是利(li)用金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)優異(yi)特(te)性為電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子和量子光子設備提供先進的(de)解決方案。
今(jin)年5月，Diamond Quanta宣布(bu)，其(qi)擁有(you)的(de)“統(tong)一金剛石框架”有(you)利于真正(zheng)的(de)取代摻(chan)雜。這項創新(xin)技術(shu)將新(xin)元素無縫地融入(ru)鉆石的(de)結構中，賦予(yu)鉆石新(xin)的(de)特(te)性，同(tong)時(shi)又不(bu)破壞其(qi)晶體完整性。
因(yin)此，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)已轉變(bian)為能(neng)夠支持負（n型）和正（p型）電(dian)荷載(zai)流(liu)子(zi)的(de)(de)高(gao)(gao)性能(neng)半導體(ti)。這(zhe)種遷(qian)移(yi)率水平(ping)表明金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)晶格(ge)非(fei)常(chang)干凈、有序，并且由于成功實施了減輕載(zai)流(liu)子(zi)傳輸缺陷影響的(de)(de)共摻雜(za)策略，散射中心得到(dao)了有效鈍化(hua)。此外(wai)，摻雜(za)過(guo)程通過(guo)修正位錯來細化(hua)現(xian)有的(de)(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)結構，從而提高(gao)(gao)材料的(de)(de)導電(dian)性。這(zhe)些進步不僅(jin)保留而且增(zeng)強了金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)結構，避免了常(chang)見(jian)的(de)(de)缺陷，例如明顯(xian)的(de)(de)晶格(ge)畸變(bian)或引(yin)入通常(chang)會降低(di)遷(qian)移(yi)率的(de)(de)陷阱態。
“啟動(dong)Diamond Quanta并開發這種(zhong)先進的(de)(de)(de)(de)摻雜工(gong)藝是必要的(de)(de)(de)(de)。電子、汽車(che)、航空(kong)航天、能源(yuan)等行業一(yi)直在尋找一(yi)種(zhong)半導體技(ji)術，能夠應對其技(ji)術擴張(zhang)不斷變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)需求所帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)日益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)(de)壓力(li)。”Adam Khan說(shuo)道。“我(wo)們的(de)(de)(de)(de)技(ji)術不僅(jin)僅(jin)為(wei)尋求提(ti)(ti)高(gao)半導體效率的(de)(de)(de)(de)行業提(ti)(ti)供替代材料；我(wo)們正在推出一(yi)種(zhong)全新(xin)材料，它將重新(xin)定義性能、耐用性和效率的(de)(de)(de)(de)標準，它將在無縫地為(wei)現代時(shi)代日益(yi)沉重的(de)(de)(de)(de)負載提(ti)(ti)供動(dong)力(li)方面(mian)發揮(hui)不可或缺(que)的(de)(de)(de)(de)作用。”
韓國團隊(dui)：降低金剛石薄膜成本
今年(nian)4月，又來自(zi)韓國基礎科(ke)學(xue)研究所的(de)(de)材(cai)料科(ke)學(xue)團隊(dui)在(zai)(zai)《自(zi)然(ran)》雜志刊(kan)文，宣(xuan)布成(cheng)功在(zai)(zai)標準大氣壓和1025°C下(xia)實(shi)現鉆石(shi)合成(cheng)，該制備方法(fa)有望為金剛石(shi)薄膜的(de)(de)生產開創一條成(cheng)本更低的(de)(de)道路。
該研究團隊(dui)負責(ze)人Rodney Ruoff表示，幾年(nian)前(qian)注意到合成(cheng)金剛(gang)(gang)石(shi)不(bu)一定需(xu)要(yao)極(ji)端條件(jian)，將液(ye)態(tai)金屬鎵暴露在甲烷氣(qi)體(ti)中可生(sheng)成(cheng)金剛(gang)(gang)石(shi)的同素異(yi)形體(ti)石(shi)墨，這啟發了(le)Ruoff對含鎵液(ye)金從含碳氣(qi)體(ti)中“脫碳”進而生(sheng)成(cheng)金剛(gang)(gang)石(shi)路線(xian)的研究。一次巧合中，Ruoff團隊(dui)發現，當(dang)反(fan)應(ying)環境引入(ru)硅(gui)(gui)單質后，出(chu)現了(le)微小(xiao)的金剛(gang)(gang)石(shi)晶體(ti)。根據這一現象(xiang)，實驗團隊(dui)改進了(le)反(fan)應(ying)裝置，將含有液(ye)態(tai)鎵、鐵(tie)、鎳和硅(gui)(gui)的混(hun)合物暴露在甲烷氫氣(qi)混(hun)合氣(qi)氛中，并(bing)加熱到1025°C，成(cheng)功在不(bu)使用高壓和晶種的條件(jian)下生(sheng)成(cheng)了(le)金剛(gang)(gang)石(shi)。目前(qian)Ruoff團隊(dui)已(yi)成(cheng)功制備由數千(qian)個金剛(gang)(gang)石(shi)晶體(ti)組(zu)成(cheng)的微型金剛(gang)(gang)石(shi)薄膜。
如果未(wei)來這一(yi)常壓合成(cheng)技術能成(cheng)功推廣(guang)至更(geng)(geng)大(da)規(gui)模，那(nei)將開辟一(yi)條更(geng)(geng)經濟、更(geng)(geng)簡便的(de)金剛石薄膜制備道路，有望為量子計算機(ji)和功率(lv)半導體發展提供(gong)強大(da)助力。
不止上述這幾家企業(ye)在推動“鉆石(shi)”芯(xin)片(pian)的產業(ye)化(hua)。還有不少行業(ye)公(gong)司(si)都在投身(shen)于此。
從種種動(dong)向來(lai)看，目前業界(jie)對(dui)金剛石(shi)半導體的(de)關注程(cheng)度越高，優勢(shi)資源(yuan)不(bu)斷匯(hui)集(ji)，也加速了(le)研發和(he)產業化(hua)速度。這意味(wei)著“鉆石(shi)”晶圓時代的(de)開始。
總而(er)言之，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石半導體具有優于其(qi)他半導體材料的出色特性(xing)，如高(gao)熱導率、寬禁帶、高(gao)載流子(zi)遷移率、高(gao)絕(jue)緣性(xing)、光(guang)學(xue)透過性(xing)、化學(xue)穩定性(xing)與抗輻射性(xing)等。目(mu)前業界正(zheng)在向(xiang)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石進一步(bu)邁進，并逐步(bu)進入金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石多功(gong)能發展的轉型(xing)時期。
未來，隨著大(da)尺寸(cun)、高質量(liang)以及大(da)范圍、高靈活度的(de)金剛石(shi)沉積(ji)技術的(de)逐步開發(fa)，有望使大(da)規(gui)模集成(cheng)電路和高速集成(cheng)電路的(de)發(fa)展進入一個新時代。
寫在最后
早在(zai)(zai)五六十年前，科(ke)學界就曾(ceng)掀起研究金剛(gang)石半(ban)導體的(de)熱(re)潮，但時至今日(ri)，也未能大(da)規模用上金剛(gang)石半(ban)導體所制造的(de)器件(jian)。有(you)工程師為此(ci)感嘆，金剛(gang)石或許將永遠處在(zai)(zai)半(ban)導體實用化的(de)邊緣。
誠然，金剛石(shi)在半(ban)導(dao)體(ti)領(ling)域具(ju)有(you)顯著優勢(shi)，但要實現(xian)金剛石(shi)芯片(pian)的大(da)規模生產和應用，還面臨著諸(zhu)多挑戰和限制(zhi)，例如成本高、加(jia)工難(nan)度大(da)、摻雜等(deng)技術(shu)工藝不(bu)成熟(shu)以(yi)及應用范圍有(you)限等(deng)問題。
盡管這一(yi)材料還有不(bu)少路要(yao)走，但已在(zai)(zai)半導(dao)體鏈中(zhong)展現活力(li)與(yu)應用潛(qian)力(li)。我們(men)相信，在(zai)(zai)各方的共(gong)同推動(dong)下，具(ju)備各種優異特性的金剛石材料在(zai)(zai)未來將會得(de)到進一(yi)步發展，幫助半導(dao)體材料領域邁出至關重(zhong)要(yao)的一(yi)步。
當然，新材(cai)料最終作用(yong)并非將以(yi)硅為代(dai)表的(de)傳統材(cai)料拍死在(zai)沙灘上，而是(shi)作為一種互補，在(zai)其擅長(chang)的(de)領(ling)域(yu)充分發(fa)揮作用(yong)。
