金剛石芯片正在成為半導體行業熱點

華為的“鉆石”專利

不久前，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2000Wm1K1，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。

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。

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。

金剛石的5.5eV的禁帶寬度。金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現有的寬禁帶半導體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上。

優秀的禁帶寬度也使得金剛石擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優異性能參數。甚至被稱為“終極半導體”。日本開發的金剛石功率半導體利用的就是這一特性。

同時，需要注意，在2022年，美國商務部工業和安全局（BIS）發布公告，稱出于國家安全考慮，將四項“新興和基礎技術”納入新的出口管制，其中之一就是能承受高溫高電壓的第四代半導體材料金剛石。

金剛石的特殊的能量結構。這個特性主要是關于金剛石用在量子存儲中。與傳統的存儲器相比，金剛石量子存儲器能將光子轉換成金剛石中碳原子的特定振動，適用于許多不同顏色光的這種轉換，將允許對光進行廣譜操縱。

金剛石的能量結構允許其以很低的噪聲在室溫下實現。從理論上來說，金剛石半導體在室溫下工作，性能最高。 

日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐賀大學研發出的可以用于量子計算機存儲器的金剛石晶圓，主要希望利用這一特性。

金剛石芯片面臨的挑戰

當然，性能如此優秀的半導體材料，在其他方面不免受到一些限制。

首先就是成本。與硅相比，碳化硅的成本是其 30 到 40 倍，而氮化鎵的成本是其 650 到 1300 倍。用于半導體研究的合成金剛石材料的價格約為硅的 10,000 倍。

另一個問題是金剛石晶片尺寸太小，市場上最大的金剛石晶片尺寸還不到 10 平方毫米。使用離子注入法摻雜這種材料很困難，而且這種材料的電荷載流子活化效率在室溫下會降低。

為了解決生產應用方面的問題，不少公司都在努力攻關金剛石量產的相關技術。

 

     

國外企業聯合推進

2023年初，日本佐賀大學與日本Orbray共同合作開發了金剛石制成的功率半導體，他們在藍寶石襯底上制成2英寸的單晶圓。

2023年10月，美國的Diamond Foundry于成功制造出了世界上第一塊單晶鉆石晶圓，直徑約4英寸。

法國格勒諾布爾的半導體金剛石初創公司Diamfab也在為了金剛石芯片的技術而不斷努力。

 

今年3月，該公司宣布獲得870萬歐元的首輪融資。這筆資金來自Asterion Ventures、法國政府代表法國政府管理的法國科技種子基金等。

 

Advent Diamond 聯合創始人兼首席執行官 Manpuneet Benipal表示，Advent Diamond正在開發的創新型金剛石輻射探測器為國防、商業和科學市場提供了變革性的解決方案。 

   

Benipal指出，目前Advent Diamond已有 1 到 2 英寸的鑲嵌金剛石晶片，并正在努力將晶片尺寸擴大到 4 英寸。  

然而，缺陷密度仍然是一個關鍵問題，大多數晶片的缺陷約為 108個/平方厘米或更高。他表示，必須將缺陷降低到 103缺陷/平方厘米，才能實現預期性能。

結尾：

總而言之，金剛石半導體具有優于其他半導體材料的出色特性，如高熱導率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學透過性、化學穩定性與抗輻射性等。

未來，隨著制造技術的進步和對金剛石的更深入研究，金剛石可能會成為制造高效、穩定、耐用的芯片的關鍵材料。