金剛石芯片，商用在即

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者：邵逸琦

這兩年，金剛石逐漸成為了半導(dǎo)體行業(yè)的熱點。

為了實現(xiàn)去碳化目標(biāo)，過去幾年時間中，行業(yè)正在不斷追求更高效、更強大的半導(dǎo)體，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)與發(fā)展，讓行業(yè)突破了硅的限制，開發(fā)出更高效、更可持續(xù)的技術(shù)，如今這些材料在可再生能源系統(tǒng)、電動汽車和其他減少碳排放的技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

而在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石也就是鉆石，作為一種新半導(dǎo)體材料闖入了大家的視線當(dāng)中，并引發(fā)了研究人員和行業(yè)專家的關(guān)注。

金剛石以其無與倫比的硬度和亮度而聞名，半個多世紀(jì)以來，珠寶首飾是它最廣泛也是最有價值的用途，如今它又因自己的特性，在半導(dǎo)體材料中開辟了一番廣闊的前景。

金剛石芯片，有何優(yōu)勢

與現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料相比，金剛石主要具有三大優(yōu)勢：熱管理、成本/效率優(yōu)化和二氧化碳減排。

在所有傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器中，冷卻系統(tǒng)都是一個必要的累贅。與大多數(shù)半導(dǎo)體材料不同，金剛石的電阻率隨溫度升高而降低。因此，用這種材料制成的設(shè)備在 150 攝氏度（功率設(shè)備的典型工作溫度）下比在室溫下性能更好。雖然必須花費大量精力來冷卻暴露在高溫下的硅或碳化硅器件，但只需讓金剛石在運行過程中找到一個穩(wěn)定的狀態(tài)即可。

金剛石還是一種良好的散熱器。由于散熱損耗少、散熱能力強且能在高溫下工作，用金剛石有源器件制成的轉(zhuǎn)換器可以比基于硅的解決方案輕 5 倍、小 5 倍，比基于碳化硅的解決方案輕 3 倍、小 3 倍。

在設(shè)計設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時，必須在系統(tǒng)的能效與成本、尺寸和重量之間做出權(quán)衡。金剛石也不例外，但金剛石能在關(guān)鍵參數(shù)上為更節(jié)能的電動汽車帶來價值。

如果重點是降低設(shè)備成本，那么可以設(shè)計出比碳化硅芯片成本低 30% 的金剛石芯片，因為在電氣性能和效率相同的情況下，金剛石芯片比同等的碳化硅芯片少消耗 50 倍的金剛石面積，而且熱管理更好。

如果注重效率，金剛石與碳化硅相比，可將能量損耗降低三倍，芯片體積最多可縮小 4 倍，從而直接節(jié)省能耗。

如果側(cè)重于系統(tǒng)體積和重量，通過提高開關(guān)頻率，金剛石器件可將無源元件的體積比基于碳化硅的轉(zhuǎn)換器減少四倍。除了體積上的減少之外，還可以通過縮小散熱器來實現(xiàn)。

值得一提的是，金剛石還具備極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標(biāo)是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不造成電擊穿。作為對比，硅材料的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm，而且即使是非常薄的鉆石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。

從具體用途來看，金剛石基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，可為高功率 5G 元件（基站、放大器）實現(xiàn)高效散熱，確保運行穩(wěn)定性并防止過熱。5G 基礎(chǔ)設(shè)施的不斷推出和對更快數(shù)據(jù)速度的無限需求，推動了各種 5G 相關(guān)設(shè)備對金剛石基板的采用。5G 數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級增長意味著需要設(shè)備能夠管理在極高頻率下產(chǎn)生的大功率密度。金剛石襯底為這些問題提供了答案。

此外，與傳統(tǒng)的硅基解決方案相比，金剛石襯底與氮化鎵或碳化硅配對，可制造出工作電壓更高、頻率更高、能效更高的功率器件，電動汽車、用于可再生能源的電源逆變器、工業(yè)電機驅(qū)動器、大功率激光器和先進電源都是金剛石襯底應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。

金剛石襯底作為出色的散熱器，可以延長這些設(shè)備的使用壽命和可靠性。而隨著向更清潔能源的過渡和汽車電氣化進程的加快，金剛石襯底也將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。盡量減少功率轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗可以提高整體效率，這是電動汽車和可持續(xù)電網(wǎng)的一個重要方面。金剛石基底能夠設(shè)計出更緊湊、重量更輕的電力電子器件，這對電動汽車等空間受限的應(yīng)用至關(guān)重要。

國外的Virtuemarket的數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場價值為1.51億美元，預(yù)計到2030年底市場規(guī)模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測期內(nèi)，該市場預(yù)計將以復(fù)合年增長率增長12.3%。其認(rèn)為，在中國、日本和韓國等國家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長的需求的推動下，亞太地區(qū)預(yù)計將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場，到 2023 年將占全球收入份額的 40% 以上。

金剛石芯片，面臨挑戰(zhàn)

當(dāng)然，性能如此優(yōu)秀的半導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)應(yīng)用方面的問題，不少公司都在努力攻關(guān)金剛石量產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)。2023年初，日本佐賀大學(xué)與日本Orbray共同合作開發(fā)了金剛石制成的功率半導(dǎo)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。

除了上述兩家公司外，位于法國格勒諾布爾的半導(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。

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（法國2030的一部分）、Kreaxi與Avenir Industrie Auvergne-Rh?ne-Alpes地區(qū)基金、Better Angle、Hello Tomorrow和格勒諾布爾阿爾卑斯大區(qū)。

Diamfab 是法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）實驗室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產(chǎn)品，也是 30 年來合成金剛石生長研發(fā)的成果。Diamfab 項目最初在格勒諾布爾阿爾卑斯 SATT Linksium 進行孵化，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)。其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)，并擁有四項專利，其專長在于薄金剛石層的生長和摻雜，以及金剛石電子元件的設(shè)計。

第一輪融資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗生產(chǎn)線，對其技術(shù)進行工業(yè)化前處理，加速其發(fā)展，從而滿足對金剛石半導(dǎo)體日益增長的需求。

Diamfab此前已經(jīng)申請了全金剛石電容器的專利，并正在與該領(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。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，我們有一個明確的路線圖，到 2025 年實現(xiàn) 4 英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動因素。”

“在過去的兩年中，我們在與研發(fā)團隊合作加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進展?，F(xiàn)在，我們基于雙重業(yè)務(wù)模式的應(yīng)用導(dǎo)向方法將使我們能夠與更廣泛的工業(yè)合作伙伴合作，開發(fā)和銷售高附加值金剛石晶片和我們的專利金剛石設(shè)備制造工藝，同時還能以輕型工廠模式直接向最終用戶銷售產(chǎn)品，”Chicot 說。

“在像我們這樣的尖端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，每個階段都至關(guān)重要。試點項目將促進我們與合作伙伴的許多討論，并加強我們之間的關(guān)系。與致力于該行業(yè)和氣候的投資者合作，最重要的是他們了解該行業(yè)的制約因素和聯(lián)系，這一點至關(guān)重要，” Chicot表示。

“我們開發(fā)的技術(shù)可以大大減少半導(dǎo)體的歷史碳足跡，并通過轉(zhuǎn)移歐洲的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)來實現(xiàn)這一目標(biāo)，這也是我們與 Asterion 合作的投資重點之一，”負責(zé)此次交易的 Asterion Ventures 合伙人 Charles-Henry Choel 解釋說，“工業(yè)深度技術(shù)公司需要冷靜、長期的支持，而這正是我們所能提供的。”

無獨有偶，美國的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，該公司接受了EE Times 采訪，披露了自己在這一方面的進展。

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單晶摻磷金剛石的能力，它是美國唯一一家擁有這種能力的公司。摻磷技術(shù)的意義尤其重大，因為它能在金剛石中制造出 n 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 公司在大面積生長摻硼金剛石層方面也取得了里程碑式的進展，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，還包括全面的元件設(shè)計、制造和表征能力。這包括蝕刻、光刻和金屬化等先進的潔凈室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學(xué)測量等一整套表征技術(shù)。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長技術(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)體級金剛石材料的最高質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。

Advent Diamond 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Manpuneet Benipal表示，Advent Diamond正在開發(fā)的創(chuàng)新型金剛石輻射探測器為國防、商業(yè)和科學(xué)市場提供了變革性的解決方案。通過利用摻雜和本征半導(dǎo)體金剛石層，這些探測器在探測高能粒子輻射方面具有卓越的輻射硬度和噪聲抑制能力。這些探測器用途廣泛，從紫外線和阿爾法粒子到 X 射線和質(zhì)子，彰顯了Advent Diamond的技術(shù)實力。

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(guān)鍵問題，大多數(shù)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(xiàn)預(yù)期性能。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，有關(guān)機構(gòu)正在資助可擴展的金剛石技術(shù)項目，強調(diào)開發(fā)高質(zhì)量的材料和先進的半導(dǎo)體器件。在全球范圍內(nèi)，研究小組正致力于改進二極管、晶體管和集成電路等金剛石器件結(jié)構(gòu)。這項合作旨在推動金剛石半導(dǎo)體進入主流應(yīng)用領(lǐng)域，提高關(guān)鍵領(lǐng)域的性能和可靠性。

“Advent Diamond 正在引領(lǐng)成熟的摻雜 [p 型和 n 型] 和本征金剛石材料層的開發(fā)，以及由這些優(yōu)質(zhì)金剛石層制成的組件/設(shè)備，用于電氣化、電信和量子技術(shù)的應(yīng)用，” Manpuneet Benipal說，“金剛石表現(xiàn)出卓越的電氣和材料特性，超越了 GaN 和 SiC，我們的目標(biāo)是將這些特性轉(zhuǎn)化為卓越的半導(dǎo)體器件性能。我們的愿景是將具有無與倫比的規(guī)格和性能的金剛石半導(dǎo)體器件引入商業(yè)市場，刺激電氣化、電信和量子應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。我們特別重視表面處理，例如反應(yīng)離子蝕刻和與金剛石兼容的化學(xué)機械拋光，以減少缺陷、增強界面、提高均勻性和結(jié)晶度，并在不同厚度的摻雜和本征金剛石層中保持受控的摻雜濃度。這種方法可確保創(chuàng)建高性能的金剛石半導(dǎo)體器件、輻射傳感器和量子材料/器件，以供廣泛的商業(yè)應(yīng)用。Advent Diamond 有望成為第一個將金剛石 RF 二極管和其他突破性半導(dǎo)體器件推向市場的公司。”

在美國，還有一家名為Akhan Semiconductor的公司也在致力于金剛石半導(dǎo)體材料的研發(fā)，其成立于2007年，早在2013年左右就獲得了美國能源部阿貢國家實驗室開發(fā)的突破性低溫金剛石沉積技術(shù)的獨家金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用許可權(quán)。

這項技術(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晶金剛石。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。

Akhan在后續(xù)正式宣布了自己的Miraj Diamond平臺，它開發(fā)了一種申請專利的新工藝，其中在硅上創(chuàng)建 n 型金剛石材料，具有以前未證實的特性，例如 250 meV(a) 的淺電離能、高載流子遷移率（納米晶金剛石薄膜中大于 1000 cm2/Vs）、無石墨相以及低壓大電流二極管器件應(yīng)用中先前未證實的性能（+2V 正向偏壓時電流密度為 900(b) A/mm2）。

2021年8月，Akhan又宣布開發(fā)出首款將 CMOS 硅與金剛石基板結(jié)合在一起的 300 毫米（12 英寸）晶圓，取得了階段性的里程碑。

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，該公司專注于半導(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)備提供先進的解決方案。

Diamond Quanta在5月宣布，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，同時又不破壞其晶體完整性。因此，金剛石（一種傳統(tǒng)上以其絕緣特性而聞名的材料）已轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑С重摚?/span>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來細化現(xiàn)有的金剛石結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導(dǎo)電性。這些進步不僅保留而且增強了金剛石結(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降低遷移率的陷阱態(tài)。

“啟動 Diamond Quanta 并開發(fā)這種先進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)對其技術(shù)擴張不斷變化的需求所帶來的日益增長的壓力。”Diamond Quanta 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Adam Khan 說道。“我們的技術(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)代時代日益沉重的負載提供動力方面發(fā)揮不可或缺的作用。”

寫在最后

與國外相比，雖然目前國內(nèi)的金剛石產(chǎn)量較高，但在功能性應(yīng)用的領(lǐng)域，尤其是對金剛石材料的開發(fā)，還處在較為落后的階段。

西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內(nèi)金剛石發(fā)展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領(lǐng)域處于落后。在CVD金剛石研究領(lǐng)域，從專利分布來看，美國、歐洲、日本的研究處于領(lǐng)先地位，我國發(fā)展相對緩慢，原創(chuàng)性研究偏少。

即便是國外，在量產(chǎn)商用這一材料上也還有很多的路要走，但我們相信，在各方的共同推動下，具備各種優(yōu)異特性的金剛石材料在未來會得到進一步發(fā)展，幫助半導(dǎo)體材料領(lǐng)域邁出至關(guān)重要的一步。

免責(zé)申明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者：邵逸琦。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請及時與我們聯(lián)系，我們會安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點，并不代表我們贊同其觀點和（或）對其真實性負責(zé)。

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