當(dāng)今時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)正處于一個(gè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，以硅為主導(dǎo)的半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨著高功率密度、高頻、高溫、高輻射等條件瓶頸；第三代半導(dǎo)體順勢(shì)而起，以GaN和SiC為代表的新材料的發(fā)展推動(dòng)著功率器件不斷向大功率、小型化、集成化和多功能方向前進(jìn)，但散熱、能效等關(guān)鍵特性依舊是業(yè)界矢志不渝的追求方向。

在追求極致性能與效率的時(shí)代，一場(chǎng)由金剛石引領(lǐng)的芯片革命正悄然興起。

金剛石，指的就是還未經(jīng)打磨的鉆石原石。那么，作為一種闖入了大家視線中的新半導(dǎo)體材料，“鉆石”芯片究竟有何魅力？無限可能背后，進(jìn)展與挑戰(zhàn)并存。

“鉆石”芯片，魅力何在？

被譽(yù)為“自然界最堅(jiān)硬物質(zhì)”的金剛石，不僅硬度驚人，還擁有卓越的導(dǎo)熱性能、極高的電子遷移率，擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)，以及其他優(yōu)異的物理特性。

具體來看，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶（5.45eV）、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（10MV/cm）、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率（2000W/m·k）等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質(zhì)因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸。

此外，金剛石擁有優(yōu)異的物理特性，在光學(xué)領(lǐng)域具有良好透光性和折射率，適用于光電器件的研發(fā)；電學(xué)方面，其絕緣性能和介電常數(shù)使其在復(fù)雜電路中發(fā)揮穩(wěn)定作用；機(jī)械性能方面，高強(qiáng)度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。

這些特性使得金剛石在芯片制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，常被用于高功率密度、高頻率電子器件的散熱。在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測(cè)與傳感等領(lǐng)域發(fā)展起到重要作用。金剛石半導(dǎo)體被認(rèn)為是極具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)半導(dǎo)體的熱管理需求，而且這些設(shè)備的能源效率更高，并且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環(huán)境。

例如，在電動(dòng)汽車中，基于金剛石的功率電子器件可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換、延長(zhǎng)電池壽命以及縮短充電時(shí)間；在電信領(lǐng)域，尤其是在5G及更高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)的部署中，對(duì)高頻和高功率器件的需求日益增長(zhǎng)。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統(tǒng)，包括射頻開關(guān)、放大器和發(fā)射器；消費(fèi)電子領(lǐng)域，單晶金剛石基板可以推動(dòng)更小、更快、更高效的智能手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備組件的開發(fā)，從而帶來新的產(chǎn)品創(chuàng)新并提高消費(fèi)電子市場(chǎng)的整體性能。

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Virtuemarket數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場(chǎng)價(jià)值為1.51億美元，預(yù)計(jì)到2030年底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測(cè)復(fù)合年增長(zhǎng)率為12.3%。其中，在中國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求的推動(dòng)下，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)，到2023年預(yù)計(jì)將占全球收入份額的40%以上。

特性優(yōu)勢(shì)和廣闊前景驅(qū)動(dòng)下，金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上的多個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力和價(jià)值。從熱沉、封裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應(yīng)用，金剛石正逐步滲透到半導(dǎo)體行業(yè)的各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

熱沉與散熱：金剛石憑卓越熱導(dǎo)與絕緣性能成為高功率散熱首選，金剛石單晶熱沉片的熱導(dǎo)率是銅、銀的5倍。在半導(dǎo)體激光器中，金剛石熱沉片顯著提升散熱，減低熱阻，增強(qiáng)輸出功率，延長(zhǎng)壽命。

這一特性使得金剛石在新能源汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域的高功率IGBT模塊中也具有廣泛的應(yīng)用前景，有助于實(shí)現(xiàn)更高效的散熱和更高的功率密度。

目前高功率半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。但在熱導(dǎo)率要求1000~2000W/m·k之間時(shí)，金剛石是當(dāng)前首選甚至唯一可選的熱沉材料。金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合。

半導(dǎo)體封裝基板：基板是裸芯片封裝中熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Al2O3陶瓷是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù) （7.2×10-6/℃） 和介電常數(shù) （9.7） 相對(duì)Si單晶而言偏高， 熱導(dǎo)率 （15-35W/ （m·K） ） 仍然不夠高， 導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。

因此， 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來越大，對(duì)新型基板材料的要求越來越高。開發(fā)高熱導(dǎo)率、性能更為完善的基片材料成為大勢(shì)所趨。隨之高導(dǎo)熱陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、金剛石等逐步進(jìn)入市場(chǎng)之中。

其中，金剛石憑借高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，逐漸成為新一代封裝基板材料的關(guān)注焦點(diǎn)。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導(dǎo)熱金屬基體復(fù)合，制備出的金剛石/金屬基復(fù)合材料已初步展現(xiàn)出其在電子封裝領(lǐng)域的巨大潛力。

雖然單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本較高，但其優(yōu)勝于其他陶瓷基板材料數(shù)十倍甚至上百倍的熱導(dǎo)率，也讓許多大廠紛紛投入研究。特別是在算力需求激增的當(dāng)下，金剛石封裝基板為高性能芯片的散熱問題提供了創(chuàng)新解決方案，助力AI、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)的快速發(fā)展。

微納加工：第三代半導(dǎo)體材料如碳化硅、氮化鎵加工困難，金剛石微粉及其產(chǎn)品因超硬特性成加工利器。

例如在碳化硅晶體的切割、研磨和拋光等環(huán)節(jié)，金剛石工具發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的普及，消費(fèi)電子行業(yè)對(duì)精密加工的需求日益增加，金剛石刀具和微粉制品為金屬、陶瓷和脆性材料提供了高質(zhì)量的精密表面處理方案，推動(dòng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

此外，金剛石在光學(xué)窗口、BDD電極、量子科技等諸多領(lǐng)域頗具優(yōu)勢(shì)，被視為未來半導(dǎo)體材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

“鉆石”芯片產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)展不斷

目前，全球都在加緊金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研制工作。

Element Six贏得UWBGS項(xiàng)目

近日，Element Six（元素六）公司正在主導(dǎo)美國(guó)一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目-開發(fā)使用單晶（SC）金剛石襯底的超寬帶高功率半導(dǎo)體。該項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）主導(dǎo)的超寬帶隙半導(dǎo)體（UWBGS）計(jì)劃的一部分，旨在開發(fā)下一代面向國(guó)防和商業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，突破半導(dǎo)體的性能和效率極限。

雖然制備的大尺寸金剛石晶圓可應(yīng)用于熱沉和光學(xué)領(lǐng)域，但在電子級(jí)半導(dǎo)體領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用存在很多難題。比如大尺寸單晶金剛石的合成、剝離及研磨拋光的技術(shù)問題還有待進(jìn)一步解決。

為此，Element Six與多個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵參與者建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，包括法國(guó)的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美國(guó)的斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)。這些合作將晶體位錯(cuò)工程、射頻氮化鎵技術(shù)以及材料表面和體積處理的專業(yè)知識(shí)集成在一起，對(duì)于推動(dòng)超寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

據(jù)悉，Element Six是鉆石公司De Beers的子公司，總部位于英國(guó)倫敦，是單晶金剛石和多晶金剛石合成方面的領(lǐng)軍企業(yè)，其在化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

Element Six對(duì)UWBGS計(jì)劃的貢獻(xiàn)將利用該公司在大面積CVD聚晶金剛石和高質(zhì)量單晶（SC）金剛石合成方面的專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)4英寸設(shè)備級(jí)SC金剛石基板。

SC金剛石襯底是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵，包括大功率射頻開關(guān)、雷達(dá)和通信放大器、高壓功率開關(guān)、極端環(huán)境的高溫電子產(chǎn)品、深紫外LED和激光器，支撐著數(shù)十億美元的系統(tǒng)市場(chǎng)。

Element Six能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量且具有高度有序晶體結(jié)構(gòu)的單晶金剛石晶圓。目前，SC金剛石襯底已用于CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并幫助發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子粒子。Element Six與高功率半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者 ABB 合作，實(shí)現(xiàn)了首款高壓塊狀金剛石肖特基二極管。此外，Element Six最近在俄勒岡州波特蘭市完成了先進(jìn) CVD 設(shè)施的建設(shè)和調(diào)試，該設(shè)施利用其核心技術(shù)，由可再生能源提供動(dòng)力。

在多晶金剛石方面，Element Six的多晶金剛石晶片直徑已超4英寸，被廣泛應(yīng)用于EUV 光刻中的光學(xué)窗口以及高功率密度Si和GaN半導(dǎo)體器件的熱管理應(yīng)用。

此外，在高壓器件方面，Element Six與瑞士企業(yè)ABB合作，實(shí)現(xiàn)了首款高壓塊狀金剛石肖特基二極管，展示了基于金剛石的半導(dǎo)體在改變功率電子領(lǐng)域中的潛力。

同時(shí)，Element Six正在與其合作伙伴擴(kuò)展在金剛石技術(shù)方面的核心能力。通過與日本Orbray進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)和設(shè)備的交叉許可。Orbray已建立了直徑為55毫米（約2英寸）的單晶金剛石基底的制造技術(shù)，該基底比傳統(tǒng)基底更大。這將結(jié)合Element Six的CVD（化學(xué)氣相沉積）技術(shù)和Orbray的專業(yè)知識(shí)，該技術(shù)可以沉積直徑達(dá)150毫米（約6英寸）的鉆石。其目標(biāo)是建立具有優(yōu)異耐壓和散熱性能的下一代功率半導(dǎo)體和通信半導(dǎo)體用大直徑單晶金剛石基板的制造技術(shù)，擴(kuò)大單晶金剛石晶圓的生產(chǎn)規(guī)模，并在超寬帶隙半導(dǎo)體市場(chǎng)中占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。

另外，Element Six近日在俄勒岡州波特蘭市完成了一個(gè)先進(jìn)的CVD設(shè)施的建設(shè)和調(diào)試，該設(shè)施由可再生能源驅(qū)動(dòng)，能夠大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的單晶金剛石基板。

需要強(qiáng)調(diào)的是，金剛石分為單晶和多晶兩種。多晶金剛石一般用于熱沉、紅外和微波窗口、耐磨涂層等方面，但它不能真正發(fā)揮金剛石的優(yōu)異電學(xué)性能，這是由于其內(nèi)部存在晶界，會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率及電荷收集效率大幅度降低，使得其所制備的電子器件性能受到嚴(yán)重抑制；單晶金剛石則不會(huì)有這種顧慮，一般用于探測(cè)器和功率器件等關(guān)鍵領(lǐng)域。

多年來，采用高壓高溫技術(shù)（HPHT）制造的合成金剛石廣泛應(yīng)用于研磨應(yīng)用，充分發(fā)揮了金剛石極高硬度和極強(qiáng)耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學(xué)氣相沉積（CVD）的新金剛石生成方法已投入商業(yè)化應(yīng)用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發(fā)利用金剛石的光學(xué)、熱學(xué)、電化、化學(xué)以及電子屬性。

華為布局金剛石

2023年11月，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的一項(xiàng)專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》，這項(xiàng)專利涉及一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法。

具體來看，就是通過Cu/SiO2混合鍵合技術(shù)將硅基與金剛石襯底材料進(jìn)行三維集成。華為希望通過兩者的結(jié)合，充分利用硅基半導(dǎo)體和金剛石的不同優(yōu)勢(shì)。

在專利書中提及，“隨著集成密度不斷升高以及特征尺寸不斷縮小，電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰(zhàn)。芯片內(nèi)部熱積累難以向封裝表層散熱片傳遞，導(dǎo)致內(nèi)部節(jié)溫突升，嚴(yán)重威脅芯片性能、穩(wěn)定性和使用壽命。”該專利利用的就是金剛石的高散熱性，想要為三維集成的硅基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。

今年3月，廈門大學(xué)于大全教授團(tuán)隊(duì)與華為團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面，并采用熱測(cè)試芯片（TTV）研究其散熱特性。

Diamond Foundry，

培育全球首個(gè)單晶金剛石晶圓

一家由麻省理工、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的工程師創(chuàng)立的企業(yè)——Diamond Foundry，在金剛石芯片方面也取得了進(jìn)展。

據(jù)了解，這家企業(yè)希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制人工智能、云計(jì)算芯片、電動(dòng)汽車電力電子器件和無線通信芯片的熱挑戰(zhàn)。

2023年10月，Diamond Foundry培育出了世界上第一個(gè)單晶金剛石晶片，具體的數(shù)據(jù)上，這個(gè)金剛石晶片直徑100毫米、重量100克拉。Diamond Foundry目前已經(jīng)可以在反應(yīng)爐中培育出4英寸長(zhǎng)寬、小于3毫米厚度的鉆石晶圓，而這些晶圓可以和硅芯片一同使用，快速傳導(dǎo)并釋放芯片所產(chǎn)生的熱量。

Diamond Foundry開發(fā)了一套技術(shù)，為每個(gè)芯片植入鉆石。以原子的方式直接連接金剛石，將半導(dǎo)體芯片粘合到金剛石晶圓基板上，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

熱量情況對(duì)比

（圖源：Diamond Foundry）

這一方案的優(yōu)勢(shì)在于，可以使得芯片的運(yùn)行速度至少是額定速度的兩倍。Diamond Foundry工程師表示，在英偉達(dá)最強(qiáng)大的AI芯片之一上使用這種方法，在實(shí)驗(yàn)條件下甚至能夠?qū)⑵漕~定的速度增加到三倍。

據(jù)Diamond Foundry早些時(shí)候透露，希望能夠在2023年后引入單金剛石晶片，并在每個(gè)芯片后面放置一顆金剛石；預(yù)計(jì)在2033年前后，將金剛石引入半導(dǎo)體。

Advent Diamond：金剛石摻磷技術(shù)

美國(guó)的Advent Diamond也是這樣一家致力于將金剛石半導(dǎo)體材料量產(chǎn)的初創(chuàng)公司，今年4月，Advent Diamond披露了在這一方面的進(jìn)展。

據(jù)了解，Advent Diamond 公司的核心創(chuàng)新之一是在首選基底上生長(zhǎng)單晶摻磷金剛石的能力，它是美國(guó)唯一一家擁有該能力的公司。摻磷技術(shù)的意義尤其重大，因?yàn)樗茉诮饎偸兄圃斐鰊型半導(dǎo)體，而這正是電子設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵要素。此外，Advent Diamond 公司在大面積生長(zhǎng)摻硼金剛石層方面也取得了里程碑式的進(jìn)展，拓展了基于金剛石的電子產(chǎn)品的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

Advent Diamond的專業(yè)技術(shù)不僅限于材料生長(zhǎng)，還包括全面的元件設(shè)計(jì)、制造和表征能力。這包括蝕刻、光刻和金屬化等先進(jìn)的潔凈室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學(xué)測(cè)量等一整套表征技術(shù)。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長(zhǎng)技術(shù)，開發(fā)出了雜質(zhì)濃度極低的本征金剛石層，確保了半導(dǎo)體級(jí)金剛石材料的最高質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)了解，目前Advent Diamond已有1-2英寸的鑲嵌金剛石晶圓，并正在努力將晶片尺寸擴(kuò)大到4英寸。然而，缺陷密度仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題，大多數(shù)晶片的缺陷約為108個(gè)/cm2或更高，必須將缺陷降低到103缺陷/cm2，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能。

法國(guó)公司Diamfab：

2025年實(shí)現(xiàn)4英寸金剛石晶圓

此外，位于法國(guó)的半導(dǎo)體金剛石初創(chuàng)公司Diamfab也在為了金剛石芯片的技術(shù)而不斷努力。

Diamfab是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）實(shí)驗(yàn)室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產(chǎn)品，也是30年來合成金剛石生長(zhǎng)研發(fā)的成果。Diamfab項(xiàng)目最初在格勒諾布爾阿爾卑斯SATT Linksium進(jìn)行孵化，該公司于2019年3月成立，由兩位納米電子學(xué)博士和半導(dǎo)體金剛石領(lǐng)域公認(rèn)的研究人員Gauthier Chicot和Khaled Driche創(chuàng)辦。

Diamfab表示，為了滿足汽車、可再生能源和量子產(chǎn)業(yè)的半導(dǎo)體和功率元件市場(chǎng)需求，公司在合成金剛石的外延和摻雜領(lǐng)域開發(fā)出了突破性技術(shù)，并擁有四項(xiàng)專利，其專長(zhǎng)在于薄金剛石層的生長(zhǎng)和摻雜，以及金剛石電子元件的設(shè)計(jì)。

今年3月，該公司宣布獲得870萬(wàn)歐元的首輪融資。這輪融資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗(yàn)生產(chǎn)線，對(duì)其技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化前處理，加速其發(fā)展，從而滿足對(duì)金剛石半導(dǎo)體日益增長(zhǎng)的需求。

Diamfab已經(jīng)申請(qǐng)了全金剛石電容器的專利，并在與該領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)合作。Diamfab首席執(zhí)行官Gauthier Chicot說道：“在其他參數(shù)中，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)：超過1000A/cm2的高電流密度和大于7.7MV/cm 的擊穿電場(chǎng)。這些是未來設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)，并且已經(jīng)優(yōu)于SiC等現(xiàn)有材料為電力電子設(shè)備提供的參數(shù)。此外，我們有一個(gè)明確的路線圖，到2025年實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。”

日本全面發(fā)力金剛石芯片產(chǎn)業(yè)

根據(jù)已經(jīng)宣布的研究成果來看，日本對(duì)于金剛石芯片的產(chǎn)業(yè)化探索更加全面。

從2022年開始，日本生成了可用于量子計(jì)算項(xiàng)目純度的金剛石晶圓；2023年年初，日本佐賀大學(xué)教授和日本精密零部件制造商Orbray，合作開發(fā)了一個(gè)金剛石制成的功率半導(dǎo)體，這個(gè)功率半導(dǎo)體可以以1cm2 875兆瓦的電力運(yùn)行，在金剛石半導(dǎo)體中，輸出功率值為全球最高；同年8月，日本的千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新的激光技術(shù)可以沿著最佳晶體平面“毫不費(fèi)力地切割”鉆石。

千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)切割方式

基于激光的切割工藝，可以干凈地切割鉆石而不破壞鉆石。研究人員表示，新技術(shù)通過將短激光脈沖聚焦到材料內(nèi)狹窄的錐形體積上，防止激光切割過程中不良裂紋的傳播。

千葉大學(xué)表示，這項(xiàng)新提出的技術(shù)可能是將鉆石轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑m合未來更高效技術(shù)的半導(dǎo)體材料”的關(guān)鍵一步。Hidai教授表示，用激光切割鉆石“能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓”，并且對(duì)于制造鉆石半導(dǎo)體器件是必不可少的。

美國(guó)公司Akhan

Akhan公司專門從事實(shí)驗(yàn)室制造合成電子級(jí)金剛石材料，早在2021年8月，Akhan就宣布開發(fā)出首款將CMOS硅與金剛石基板結(jié)合在一起的300毫米晶圓，取得了階段性里程碑。

2013年左右，Akhan又獲得了美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的突破性低溫金剛石沉積技術(shù)的獨(dú)家金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用許可權(quán)。這項(xiàng)技術(shù)可以在低至400攝氏度的溫度下在各種晶片基底材料上沉積納米金剛石。來自阿貢的低溫金剛石技術(shù)與Akhan的Miraj Diamond工藝相結(jié)合，打破了半導(dǎo)體行業(yè)中金剛石薄膜的使用僅限于p型摻雜的障礙。

后續(xù)，Akhan又宣布了其Miraj Diamond平臺(tái)，它開發(fā)了一種申請(qǐng)專利的新工藝，其中在硅上創(chuàng)建n型金剛石材料，具有以前未證實(shí)的特性。

在半導(dǎo)體行業(yè)觀察此前文章《金剛石芯片，商用在即》中提到，Akhan的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，專注于半導(dǎo)體領(lǐng)域，目的是利用金剛石的優(yōu)異特性為電力電子和量子光子設(shè)備提供先進(jìn)的解決方案。

今年5月，Diamond Quanta宣布，其擁有的“統(tǒng)一金剛石框架”有利于真正的取代摻雜。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)將新元素?zé)o縫地融入鉆石的結(jié)構(gòu)中，賦予鉆石新的特性，同時(shí)又不破壞其晶體完整性。

因此，金剛石已轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑С重?fù)（n型）和正（p型）電荷載流子的高性能半導(dǎo)體。這種遷移率水平表明金剛石晶格非常干凈、有序，并且由于成功實(shí)施了減輕載流子傳輸缺陷影響的共摻雜策略，散射中心得到了有效鈍化。此外，摻雜過程通過修正位錯(cuò)來細(xì)化現(xiàn)有的金剛石結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導(dǎo)電性。這些進(jìn)步不僅保留而且增強(qiáng)了金剛石結(jié)構(gòu)，避免了常見的缺陷，例如明顯的晶格畸變或引入通常會(huì)降低遷移率的陷阱態(tài)。

“啟動(dòng)Diamond Quanta并開發(fā)這種先進(jìn)的摻雜工藝是必要的。電子、汽車、航空航天、能源等行業(yè)一直在尋找一種半導(dǎo)體技術(shù)，能夠應(yīng)對(duì)其技術(shù)擴(kuò)張不斷變化的需求所帶來的日益增長(zhǎng)的壓力?！盇dam Khan說道?！拔覀兊募夹g(shù)不僅僅為尋求提高半導(dǎo)體效率的行業(yè)提供替代材料；我們正在推出一種全新材料，它將重新定義性能、耐用性和效率的標(biāo)準(zhǔn)，它將在無縫地為現(xiàn)代時(shí)代日益沉重的負(fù)載提供動(dòng)力方面發(fā)揮不可或缺的作用。”

韓國(guó)團(tuán)隊(duì)：降低金剛石薄膜成本

今年4月，又來自韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志刊文，宣布成功在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和1025°C下實(shí)現(xiàn)鉆石合成，該制備方法有望為金剛石薄膜的生產(chǎn)開創(chuàng)一條成本更低的道路。

該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Rodney Ruoff表示，幾年前注意到合成金剛石不一定需要極端條件，將液態(tài)金屬鎵暴露在甲烷氣體中可生成金剛石的同素異形體石墨，這啟發(fā)了Ruoff對(duì)含鎵液金從含碳?xì)怏w中“脫碳”進(jìn)而生成金剛石路線的研究。一次巧合中，Ruoff團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)環(huán)境引入硅單質(zhì)后，出現(xiàn)了微小的金剛石晶體。根據(jù)這一現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了反應(yīng)裝置，將含有液態(tài)鎵、鐵、鎳和硅的混合物暴露在甲烷氫氣混合氣氛中，并加熱到1025°C，成功在不使用高壓和晶種的條件下生成了金剛石。目前Ruoff團(tuán)隊(duì)已成功制備由數(shù)千個(gè)金剛石晶體組成的微型金剛石薄膜。

如果未來這一常壓合成技術(shù)能成功推廣至更大規(guī)模，那將開辟一條更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)便的金剛石薄膜制備道路，有望為量子計(jì)算機(jī)和功率半導(dǎo)體發(fā)展提供強(qiáng)大助力。

不止上述這幾家企業(yè)在推動(dòng)“鉆石”芯片的產(chǎn)業(yè)化。還有不少行業(yè)公司都在投身于此。

從種種動(dòng)向來看，目前業(yè)界對(duì)金剛石半導(dǎo)體的關(guān)注程度越高，優(yōu)勢(shì)資源不斷匯集，也加速了研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速度。這意味著“鉆石”晶圓時(shí)代的開始。

總而言之，金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，如高熱導(dǎo)率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學(xué)透過性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等。目前業(yè)界正在向金剛石進(jìn)一步邁進(jìn)，并逐步進(jìn)入金剛石多功能發(fā)展的轉(zhuǎn)型時(shí)期。

未來，隨著大尺寸、高質(zhì)量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術(shù)的逐步開發(fā)，有望使大規(guī)模集成電路和高速集成電路的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

寫在最后

早在五六十年前，科學(xué)界就曾掀起研究金剛石半導(dǎo)體的熱潮，但時(shí)至今日，也未能大規(guī)模用上金剛石半導(dǎo)體所制造的器件。有工程師為此感嘆，金剛石或許將永遠(yuǎn)處在半導(dǎo)體實(shí)用化的邊緣。

誠(chéng)然，金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術(shù)工藝不成熟以及應(yīng)用范圍有限等問題。

盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導(dǎo)體鏈中展現(xiàn)活力與應(yīng)用潛力。我們相信，在各方的共同推動(dòng)下，具備各種優(yōu)異特性的金剛石材料在未來將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，幫助半導(dǎo)體材料領(lǐng)域邁出至關(guān)重要的一步。

當(dāng)然，新材料最終作用并非將以硅為代表的傳統(tǒng)材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補(bǔ)，在其擅長(zhǎng)的領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。