金剛石半導(dǎo)體又有新突破！以后人人都能用上“鉆石”產(chǎn)品

來(lái)自韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)近日在《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(kāi)創(chuàng)一條成本更低的道路。

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

目前，金剛石鉆石最常見(jiàn)的路線(xiàn)是高溫高壓方法，該方法相對(duì)便宜，不過(guò)需要近 60000 倍大氣壓的壓強(qiáng)和 1600°C 的高溫；另一種途徑是化學(xué)氣相沉積，但需要昂貴的制造設(shè)備。

該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(bào)告，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)了魯夫?qū)壱航饛暮細(xì)怏w中“脫碳”進(jìn)而生成金剛石路線(xiàn)的研究。

一次巧合中，魯夫所領(lǐng)導(dǎo)的團(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 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(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。這些晶體直徑不超過(guò) 100 納米，和病毒大小相當(dāng)。

如果未來(lái)這一常壓合成技術(shù)能成功推廣至更大規(guī)模，那將開(kāi)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。


華為的“鉆石”專(zhuān)利

華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的一項(xiàng)專(zhuān)利，這項(xiàng)專(zhuān)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(lái)看，就是通過(guò)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(guò)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)。

硅基半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)不用多說(shuō)，有成熟的工藝及產(chǎn)線(xiàn)、生產(chǎn)效率高并且成本較低。金剛石則是已知天然物質(zhì)中熱導(dǎo)率最高的材料，室溫下金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000Wm?1K?1，同時(shí)金剛石是寬禁帶半導(dǎo)體，具備擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、載流子遷移率高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。

在專(zhuān)利書(shū)中提及，本次結(jié)合利用的就是金剛石極高的發(fā)展?jié)摿Γ胍獮槿S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(zhuān)利的影響，當(dāng)天國(guó)內(nèi)A股培育鉆石概念板塊猛漲。實(shí)際上，引發(fā)半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)“瘋狂”的“鉆石”芯片在國(guó)際上并非只有華為一家。近年來(lái)，“鉆石”芯片的研發(fā)消息頻頻傳來(lái)。


抓住“鉆石芯片”

國(guó)際上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的工程師創(chuàng)立的企業(yè)在金剛石晶片方面的進(jìn)展。

這家企業(yè)的名字叫做Diamond Foundry，企業(yè)主要的研究方向也是金剛石方向。從官網(wǎng)上來(lái)看，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(chē)電力電子器件和無(wú)線(xiàn)通信芯片的熱挑戰(zhàn)。

2023年10月份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在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，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。

怎么一同使用呢？Diamond Foundry 開(kāi)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。

按照其首席執(zhí)行官M(fèi)artin Roscheisen的說(shuō)法，這可以使得芯片的運(yùn)行速度至少是額定速度的兩倍，并且Diamond Foundry工程師在英偉達(dá)最強(qiáng)大的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。

同時(shí)，Diamond Foundry公司的官方計(jì)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(gè)芯片后面放置一顆金剛石；在2033年前后，將金剛石引入半導(dǎo)體。

美國(guó)不止這一家企業(yè)在推動(dòng)“鉆石”芯片的產(chǎn)業(yè)化。美國(guó)的AKHAN、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。其中，AKHAN公司專(zhuān)門(mén)從事實(shí)驗(yàn)室制造合成電子級(jí)金剛石材料，在2021年時(shí)，他們宣布能夠制造300mm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 金剛石晶圓。

稍早一些消息的還來(lái)自日本，依據(jù)已經(jīng)宣布的研究成果來(lái)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(kāi)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，日本校企合作，研發(fā)了一個(gè)金剛石制成的功率半導(dǎo)體；同年8月，日本千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出關(guān)于“毫不費(fèi)力地切割”金剛石的方法。從種種動(dòng)向來(lái)看，日本對(duì)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(dǎo)體材料。

雖然可以用作半導(dǎo)體的材料種類(lèi)繁多，但在歷經(jīng)數(shù)次材料革命后，真正做到成本與性能同時(shí)兼顧的，只有硅元素——在此基石上目前最常見(jiàn)的硅基半導(dǎo)體。

不過(guò)隨著工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，想要繼續(xù)推進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，就需要用特性更好的材料接續(xù)。

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(dǎo)體材料。再往后，氧化鎵、氮化鋁等第四代半導(dǎo)體材料，他們對(duì)比硅材料都有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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(chǎn)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(zhì)同素異構(gòu)體之一的金剛石，理應(yīng)可以用作生產(chǎn)半導(dǎo)體。

從物理化學(xué)特性來(lái)看，金剛石確實(shí)如此。

該材料不僅硬度最高，而具有最高的熱導(dǎo)率、透過(guò)光譜最寬、耐磨抗輻射抗腐蝕等優(yōu)秀特性。


金剛石強(qiáng)在哪里？

先說(shuō)金剛石的高熱導(dǎo)率。

在大阪公立大學(xué)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(zhàn)之一便是溫度控制。對(duì)于大部分硅制的芯片來(lái)說(shuō)，一旦溫度過(guò)高，那么芯片就會(huì)變得不可靠。

而金剛石恰好是一種完美的“散熱器”。在熱導(dǎo)率數(shù)值上，它比碳化硅大4倍，比硅大13倍，可以有效降低半導(dǎo)體器件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。

在華為的金剛石專(zhuān)利里，提到了利用金剛石極高的發(fā)展?jié)摿Γ瑸槿S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(dá)5.5eV的禁帶寬度，更適合應(yīng)用于高溫、高輻射、高電壓等極端環(huán)境。

在2023年初，日本佐賀大學(xué)與日本精密零部件公司Orbray共同合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)金剛石制成的功率半導(dǎo)體。

他們?cè)谒{(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)金剛石晶片，制成2英寸的單晶圓，以此制成的功率半導(dǎo)體能以每平方厘米875兆瓦的功率運(yùn)行，輸出功率值為全球最高，且電力損耗可減少到硅基半導(dǎo)體的五萬(wàn)分之一。

除了日本公司以外，美國(guó)公司也在積極推動(dòng)鉆石芯片的產(chǎn)業(yè)化。目前比較出名的一家美國(guó)公司名叫Diamond Foundry，他們是全球“人造鉆石”領(lǐng)域的明星企業(yè)。

在Diamond Foundry官方計(jì)劃里，他們開(kāi)發(fā)出一套技術(shù)，可以將硅芯片與金剛石半導(dǎo)體襯底結(jié)合，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

這項(xiàng)技術(shù)與上文提到的華為專(zhuān)利非常類(lèi)似，不過(guò)Diamond Foundry的動(dòng)作更加迅速，目前已經(jīng)在云計(jì)算和AI計(jì)算等芯片上進(jìn)行嘗試，可以讓數(shù)據(jù)中心芯片使用一半的空間即可實(shí)現(xiàn)相同的性能。

國(guó)產(chǎn)企業(yè)打破壟斷

打破金剛石功能材料被國(guó)外壟斷的難題，在國(guó)內(nèi)率先布局第四代半導(dǎo)體材料裝備和生長(zhǎng)工藝研發(fā)……今年2月投產(chǎn)的湖北瑞華科技有限公司，通過(guò)切割、雕琢等方式，將“生長(zhǎng)”后的金剛石制作成鉆石、散熱片等產(chǎn)品，進(jìn)入半導(dǎo)體等不同領(lǐng)域的市場(chǎng)，成為半導(dǎo)體基體材料中的“新貴”。

“你看，金剛石正在進(jìn)行MPCVD（氣相沉積）的神奇過(guò)程。它就如同蒸饅頭般，逐漸增大，我們?cè)龠\(yùn)用先進(jìn)的激光切割技術(shù)，賦予它不同的應(yīng)用方向。”在瑞華科技的切割車(chē)間里，數(shù)臺(tái)自動(dòng)化切割機(jī)并排作業(yè)，忙碌而有序，車(chē)間主任甘俊偉詳細(xì)介紹，經(jīng)過(guò)“膨脹”的金剛石，在切割機(jī)的精細(xì)操作下，襯底與生長(zhǎng)層被巧妙地分離。生長(zhǎng)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(lái)的襯底可以再次用于MPCVD的生長(zhǎng)，循環(huán)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(chǎn)的高科技企業(yè)，主要開(kāi)展MPCVD設(shè)備迭代更新以及MPCVD設(shè)備的金剛石圓片等新材料關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化研究，力求在大尺寸、高質(zhì)量金剛石生長(zhǎng)裝備及金剛石生長(zhǎng)技術(shù)上取得重大突破，解決我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)難題。

今年2月，一期項(xiàng)目進(jìn)入試生產(chǎn)階段，首批50臺(tái)機(jī)器主要生產(chǎn)散熱片、鉆石等產(chǎn)品。

“鉆石就是我們?cè)谑忻嫔峡吹降穆沣@，散熱片主要運(yùn)用于集成電路里面，在汽車(chē)等行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。”據(jù)甘俊偉介紹，所有的電器元件在運(yùn)行中都會(huì)都會(huì)產(chǎn)生熱量，隨著電路集成度的不斷提升，散熱需求也日益增長(zhǎng)，“與傳統(tǒng)散熱材料相比，金剛石散熱能力更強(qiáng)，是銅的5倍。”

據(jù)甘俊偉介紹，盡管我國(guó)是人造金剛石生產(chǎn)大國(guó)，但產(chǎn)品主要集中在磨料磨具領(lǐng)域，高端應(yīng)用尚顯不足。為打破金剛石功能材料被國(guó)外壟斷的難題，推進(jìn)我國(guó)高端金剛石的深度產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。數(shù)年前，公司率先在國(guó)內(nèi)布局第四代半導(dǎo)體材料裝備和生長(zhǎng)工藝研發(fā)。2022年，在荊州經(jīng)開(kāi)區(qū)設(shè)立瑞華科技。

先進(jìn)的研發(fā)實(shí)力是企業(yè)的發(fā)展底氣。

瑞華科技辦公室主任毛莉介紹，公司研發(fā)中心位于武漢，具備院士、“千人計(jì)劃”專(zhuān)家高端人才技術(shù)支持，是國(guó)內(nèi)唯一成功研制分子束外延（MBE）和國(guó)內(nèi)首臺(tái)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）兩種半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)裝備與相關(guān)工藝的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

“天然金剛石材料成本較高，我們正致力于加大研發(fā)力度，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，用MPCVD法生產(chǎn)出來(lái)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(chē)品牌合作，加快金剛石散熱片新材料的應(yīng)用進(jìn)程。