金剛石半導體又有新突破！以后人人都能用上“鉆石”產品

來自韓國基礎科學研究所的材料科學團隊近日在《自然》雜志刊文，宣布成功在標準大氣壓和 1025 °C 下實現鉆石合成。該制備方法有望為金剛石薄膜的生產開創一條成本更低的道路。

金剛石不僅是一種寶石，也是一種優秀的半導體材料，擁有超寬禁帶間隙，相較現已商用的硅等材料更適合高溫、高輻射、高電壓環境。

目前，金剛石鉆石最常見的路線是高溫高壓方法，該方法相對便宜，不過需要近 60000 倍大氣壓的壓強和 1600°C 的高溫；另一種途徑是化學氣相沉積，但需要昂貴的制造設備。

該研究團隊負責人的羅德尼?魯夫（Rodney Ruoff）表示，幾年前其注意到合成金剛石不一定需要極端條件：

有日本研究人員于 2017 年報告，將液態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，這啟發了魯夫對含鎵液金從含碳氣體中“脫碳”進而生成金剛石路線的研究。

一次巧合中，魯夫所領導的團隊發現，當反應環境引入硅單質后，出現了微小的金剛石晶體。

根據這一現象，實驗團隊改進了反應裝置，將含有液態鎵、鐵、鎳和硅的混合物暴露在甲烷氫氣混合氣氛中，并加熱到 1,025 °C，成功在不使用高壓和晶種的條件下生成了金剛石。

目前魯夫團隊已成功制備由數千個金剛石晶體組成的微型金剛石薄膜。這些晶體直徑不超過 100 納米，和病毒大小相當。

如果未來這一常壓合成技術能成功推廣至更大規模，那將開辟一條更經濟、更簡便的金剛石薄膜制備道路，有望為量子計算機和功率半導體發展提供強大助力。


華為的“鉆石”專利

華為與哈爾濱工業大學聯合申請的一項專利，這項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混合鍵合技術將硅基與金剛石襯底材料進行三維集成。華為希望通過兩者的結合，充分利用硅基半導體和金剛石的不同優勢。

硅基半導體的優勢不用多說，有成熟的工藝及產線、生產效率高并且成本較低。金剛石則是已知天然物質中熱導率最高的材料，室溫下金剛石的熱導率高達2000Wm?1K?1，同時金剛石是寬禁帶半導體，具備擊穿場強高、載流子遷移率高、抗輻照等優點，在熱沉、大功率、高頻器件、光學窗口、量子信息等領域具有極大應用潛力。

在專利書中提及，本次結合利用的就是金剛石極高的發展潛力，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。

受到華為專利的影響，當天國內A股培育鉆石概念板塊猛漲。實際上，引發半導體業內“瘋狂”的“鉆石”芯片在國際上并非只有華為一家。近年來，“鉆石”芯片的研發消息頻頻傳來。


抓住“鉆石芯片”

國際上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大學、普林斯頓大學的工程師創立的企業在金剛石晶片方面的進展。

這家企業的名字叫做Diamond Foundry，企業主要的研究方向也是金剛石方向。從官網上來看，這家企業希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制人工智能、云計算芯片、電動汽車電力電子器件和無線通信芯片的熱挑戰。

2023年10月份Diamond Foundry培育出了世界上第一個單晶金剛石晶片，具體的數據上，這個金剛石晶片直徑100毫米、重量100克拉。

Diamond Foundry在接受采訪時表示，已經可以在反應爐中培育出4英寸長寬、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，快速傳導并釋放芯片所產生的熱量。

怎么一同使用呢？Diamond Foundry 開發了一套技術，為每個芯片植入鉆石。以原子的方式直接連接金剛石，將半導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。

按照其首席執行官Martin Roscheisen的說法，這可以使得芯片的運行速度至少是額定速度的兩倍，并且Diamond Foundry工程師在英偉達最強大的芯片之一上使用這種方法，在實驗條件下甚至能夠將其額定的速度增加到三倍。

同時，Diamond Foundry公司的官方計劃中還表示，希望能夠在2023年后，引入單金剛石晶片，并在每個芯片后面放置一顆金剛石；在2033年前后，將金剛石引入半導體。

美國不止這一家企業在推動“鉆石”芯片的產業化。美國的AKHAN、阿貢國家實驗室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。其中，AKHAN公司專門從事實驗室制造合成電子級金剛石材料，在2021年時，他們宣布能夠制造300mm互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 金剛石晶圓。

稍早一些消息的還來自日本，依據已經宣布的研究成果來看，日本對于金剛石芯片的產業化探索更加全面。

從2022年開始，日本生成了可用于量子計算項目純度的金剛石晶圓；2023年年初，日本校企合作，研發了一個金剛石制成的功率半導體；同年8月，日本千葉大學科研團隊提出關于“毫不費力地切割”金剛石的方法。從種種動向來看，日本對于金剛石芯片的研究也是比較重視的。


用鉆石造芯片，究竟有何魅力？

想制作電子元器件，就需要半導體材料。

雖然可以用作半導體的材料種類繁多，但在歷經數次材料革命后，真正做到成本與性能同時兼顧的，只有硅元素——在此基石上目前最常見的硅基半導體。

不過隨著工藝技術不斷進步，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，想要繼續推進半導體行業發展，就需要用特性更好的材料接續。

近些年出鏡率頗高的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），屬于第三代半導體材料。再往后，氧化鎵、氮化鋁等第四代半導體材料，他們對比硅材料都有各自獨特的優勢。

除此以外，我們還能在看到石墨烯、碳納米管等材料被用于生產晶體管。

既然它們都屬于碳的同素異形體，那么同樣是碳元素單質同素異構體之一的金剛石，理應可以用作生產半導體。

從物理化學特性來看，金剛石確實如此。

該材料不僅硬度最高，而具有最高的熱導率、透過光譜最寬、耐磨抗輻射抗腐蝕等優秀特性。


金剛石強在哪里？

先說金剛石的高熱導率。

在大阪公立大學的研究里，提到了“由金剛石為襯底制作的氮化鎵晶體管，其散熱能力提高兩倍之多”。

目前而言，芯片制造面臨的最大基本挑戰之一便是溫度控制。對于大部分硅制的芯片來說，一旦溫度過高，那么芯片就會變得不可靠。

而金剛石恰好是一種完美的“散熱器”。在熱導率數值上，它比碳化硅大4倍，比硅大13倍，可以有效降低半導體器件運行時產生的熱量。

在華為的金剛石專利里，提到了利用金剛石極高的發展潛力，為三維集成的硅基器件（硅基與金剛石襯底）提供散熱通道

除了出色的散熱性能以外，金剛石擁有高達5.5eV的禁帶寬度，更適合應用于高溫、高輻射、高電壓等極端環境。

在2023年初，日本佐賀大學與日本精密零部件公司Orbray共同合作開發了一個金剛石制成的功率半導體。

他們在藍寶石襯底上生長金剛石晶片，制成2英寸的單晶圓，以此制成的功率半導體能以每平方厘米875兆瓦的功率運行，輸出功率值為全球最高，且電力損耗可減少到硅基半導體的五萬分之一。

除了日本公司以外，美國公司也在積極推動鉆石芯片的產業化。目前比較出名的一家美國公司名叫Diamond Foundry，他們是全球“人造鉆石”領域的明星企業。

在Diamond Foundry官方計劃里，他們開發出一套技術，可以將硅芯片與金剛石半導體襯底結合，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

這項技術與上文提到的華為專利非常類似，不過Diamond Foundry的動作更加迅速，目前已經在云計算和AI計算等芯片上進行嘗試，可以讓數據中心芯片使用一半的空間即可實現相同的性能。

國產企業打破壟斷

打破金剛石功能材料被國外壟斷的難題，在國內率先布局第四代半導體材料裝備和生長工藝研發……今年2月投產的湖北瑞華科技有限公司，通過切割、雕琢等方式，將“生長”后的金剛石制作成鉆石、散熱片等產品，進入半導體等不同領域的市場，成為半導體基體材料中的“新貴”。

“你看，金剛石正在進行MPCVD（氣相沉積）的神奇過程。它就如同蒸饅頭般，逐漸增大，我們再運用先進的激光切割技術，賦予它不同的應用方向。”在瑞華科技的切割車間里，數臺自動化切割機并排作業，忙碌而有序，車間主任甘俊偉詳細介紹，經過“膨脹”的金剛石，在切割機的精細操作下，襯底與生長層被巧妙地分離。生長層既可以被雕琢成熠熠生輝的鉆石，也可以被切成薄片，用作高效的散熱片，分離出來的襯底可以再次用于MPCVD的生長，循環利用。

瑞華科技成立于2022年11月，是一家聚焦高端功能金剛石材料生產的高科技企業，主要開展MPCVD設備迭代更新以及MPCVD設備的金剛石圓片等新材料關鍵技術與產業化研究，力求在大尺寸、高質量金剛石生長裝備及金剛石生長技術上取得重大突破，解決我國在這一領域的技術難題。

今年2月，一期項目進入試生產階段，首批50臺機器主要生產散熱片、鉆石等產品。

“鉆石就是我們在市面上看到的裸鉆，散熱片主要運用于集成電路里面，在汽車等行業中發揮著不可或缺的作用。”據甘俊偉介紹，所有的電器元件在運行中都會都會產生熱量，隨著電路集成度的不斷提升，散熱需求也日益增長，“與傳統散熱材料相比，金剛石散熱能力更強，是銅的5倍。”

據甘俊偉介紹，盡管我國是人造金剛石生產大國，但產品主要集中在磨料磨具領域，高端應用尚顯不足。為打破金剛石功能材料被國外壟斷的難題，推進我國高端金剛石的深度產業化應用。數年前，公司率先在國內布局第四代半導體材料裝備和生長工藝研發。2022年，在荊州經開區設立瑞華科技。

先進的研發實力是企業的發展底氣。

瑞華科技辦公室主任毛莉介紹，公司研發中心位于武漢，具備院士、“千人計劃”專家高端人才技術支持，是國內唯一成功研制分子束外延（MBE）和國內首臺金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）兩種半導體材料生長裝備與相關工藝的技術團隊。

“天然金剛石材料成本較高，我們正致力于加大研發力度，優化生產工藝，用MPCVD法生產出來的金剛石替代天然金剛石。”毛莉介紹，公司正積極與一些研究所、知名新能源汽車品牌合作，加快金剛石散熱片新材料的應用進程。