金剛石，如何在半導體產業鏈中找準“定位”？

轉自：Carbontech

最近幾年，“金剛石半導體”這一詞匯變得很時髦！但凡去和一個企業溝通，就說“我們目標是半導體產業！”眾所周知，金剛石材料，一貫被吹捧為終極半導體材料，那這究竟能什么時候落地？到底是概念性，或是噱頭，還是有實力？我們要認清一個現實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業用起來！

一、金剛石，“終極半導體材料”優勢

金剛石半導體具有超寬禁帶(5.45 eV)、高擊穿場強(10 MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導率(22 W/cm·K)等材料特性，以及優異的器件品質因子(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”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發展起到重要作用。金剛石半導體被公認為是最具前景的新型半導體材料，被業界譽為“終極半導體材料”。

金剛石，作為半導體的優點很多，但怎么用起來？用在什么場景？究竟能什么時候落地？我們要認清一個現實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業用起來！！！所以說，金剛石，在半導體產業鏈中找準“定位”，很重要！

在了解金剛石在半導體產業鏈中“定位”這一問題前，我們先弄清楚半導體產業鏈及為什么需要發展新型半導體。

二、材料在半導體產業鏈中占據什么位置？

1、半導體產業鏈

半導體產業鏈主要包括設計、制造、封裝與測試三大環節與半導體設備及材料兩大支柱產業。半導體材料處于整個半導體產業鏈的上游環節，對半導體產業發展起著重要支撐作用，具有產業規模大、細分行業多、技術門檻高、研發投入大、研發周期長等特點。其中，半導體襯底材料是半導體行業的重要組成部分，是制造半導體器件和集成電路的基礎材料。

2、在過去的數十年間，硅基芯片引領了世界范圍的信息化浪潮。

世界范圍的信息化浪潮正帶來全球網絡化、國家數字化、社會智能化的整體轉變，5G、人工智能、大數據和云計算等先進技術的誕生和蓬勃發展，以及向生產生活各層面的深度滲透，更加速推動信息時代的快速發展。在世界數字化洶涌前行的背后，是硅基半導體芯片性能的持續飛速提升，提供了存儲、運算、網絡、智能的多維度底層支撐，為數字升級、智能互聯打造了堅實的硬件基礎。

三、為什么要發展新型半導體材料？

1、行業領先技術的衡量指標——摩爾定律

目前，硅基半導體在我們的日常生活中扮演著重要角色，手機、電腦、通信、算力系統……，不可或缺！那為什么要研究發展其他半導體材料體系，這就不得不提半導體行業領先技術的衡量指標——摩爾定律。

1965年，英特爾的創始人之一戈登·摩爾發布了集成電路行業最知名的定律：“每隔18個月，同樣面積內晶體管數量翻倍，但是價格不變。”這就是后來被稱為“集成電路的指數級增長”的摩爾定律。60多年來，晶體管數量的增長得益于制程工藝的創新，與摩爾定律一直保持著“默契”。芯片的尺寸越來越小，性能應用越來越先進。儼然，摩爾定律已成為半導體企業保持技術領先的衡量指標：保持摩爾定律企業就能生存，不能保持摩爾定律企業就會在競爭中被淘汰。

2、摩爾定律正遭遇技術與成本兩大發展瓶頸

隨著人工智能、物聯網、超級計算等時代的到來，對半導體材料與器件提出了更高的性能要求，半導體產業即將步入亟需轉變突破發展的關鍵點。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，特別是在進入到納米尺度范圍后，半導體技術發展面臨一系列物理限制條件，既有來自于基本物理規律的限制，也有來自于材料、技術、器件和系統方面的限制。單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。目前，全球半導體行業不再基于每兩年實現性能翻倍的概念來制定硅芯片研發計劃，芯片企業都面臨著芯片研發速度減緩的問題，無法再像原來那樣大幅度縮小硅晶體管，無力承擔跟上性能提升步伐所需購買的超復雜制造工具和工藝成本。硅基芯片的研發已進入瓶頸期。這也部分打破“投資發展制程——芯片生產成本降低——用部分利潤繼續投資發展制程”的邏輯。也就是說，傳統的硅基電子技術臨近生命周期極限，摩爾定律正遭遇技術與成本兩大發展瓶頸。

3、鉆石時代，也許將是延續或重塑未來科技輝煌的重要嘗試

為摩爾定律續命的嘗試，多年來，為解決硅基半導體面臨的瓶頸，業界從“結構和材料”入手，持續推動集成電路發展。碳作為同族元素，被寄予厚望。碳基半導體也被認為是后摩爾時代的顛覆性技術，是我國在半導體領域突破點之一！相較于石墨烯、碳納米管等碳基半導體，金剛石半導體在高功率下較穩定、散熱佳，具有許多優勢應用領域。另外，金剛石，作為人造晶體材料，與硅一樣，有機會被制成大塊晶體，這將大大降低制造晶圓難度，減少缺陷。行業內目前已可以研制出3英寸以上的高質量金剛石單晶晶圓。同時，金剛石體系又能和硅的半導體工業體系相兼容，即硅的制造技術與設備亦適用于金剛石材料。目前硅的投入已能達到一條生產線產出幾十億塊單晶的產量，若金剛石制備工藝與技術能夠發展成熟，就可以充分利用成熟的硅技術體系來實現大的產量。所以說，金剛石被業界譽為“終極半導體材料”，那么或許延續或重塑未來科技輝煌的就是鉆石時代。

四、金剛石“芯”產學研道路困難重重

理想很豐滿，現實很骨感。金剛石“芯”產學研道路困難重重。雖說，金剛石作為半導體的優點很多，但怎么利用起來？用在什么場景？究竟能什么時候落地？我們要認清一個現實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業用起來！

例如，金剛石在實際應用于下一代電子產品中，雖然人們已經在金剛石高壓開關二極管的實驗建模和制備、大功率高頻場效應管、高溫下工作的器件以及MEMS/NEMS做了大量的努力，但金剛石晶圓的生產存在缺陷，且無法實現大面積晶圓生長。大尺寸金剛石晶圓是電子器件的基礎，2英寸只是起點，晶圓尺寸越大，芯片在較長時間的穩性和耐久性以及經濟性就會提高很多。近年在金屬銥基底上已經可以生長出直徑為4英寸的金剛石薄膜，但是缺陷仍然必須被進一步最小化，缺陷密度需要控制到10⁴/cm²以下，目前硅晶圓的缺陷密度可以控制在每平方公分1萬個缺陷以內；同時，均質外延生長金剛石的尺寸也在增加。另外，金剛石存在淺層摻雜問題，摻硼的p型金剛石的合成和應用已經相對成熟，而且通過離子植入或CVD方法可以很好地控制雜質水平和載流子傳輸特性。然而，合成n型金剛石仍有很大的困難，這限制了金剛石半導體材料在電子領域的應用，在改進摻雜技術、提高電子遷移率、降低電阻率方面，值得進一步研究。

另外，半導體晶圓需要一個平坦的面，幾個原子凸起都會極大影響半導體性能。而金剛石在直接生長時，表面并不平滑，需要后續加工處理，只有將一塊單晶金剛石晶圓片打磨至接近原子級的平滑度，才能取代電子設備中的一些硅元件。金剛石也是自然界最硬的物質，其超精密研磨拋光技術的發展十分重要，也是決定金剛石能否做晶圓的關鍵技術。除了研發出高性能的材料以外，封裝、鍵合等周邊技術也是影響金剛石“造芯”之路的重要因素。

五、鉆石晶圓時代開始，造芯進展如何？

目前，我國部分高校研究走在國際前列，例如北京科技大學、哈爾濱工業大學、中科院寧波材料所、西安交通大學、西安電子科技大學、電子科技大學、香港大學等。但科研成果離工程化應用和實際賺錢還需要很長一段路要走。

目前業界對金剛石半導體的關注程度越高，優勢資源不斷匯集，也加速了研發和產業化速度。這意味著鉆石晶圓時代的開始。

2022年，日本安達滿納米奇精密寶石有限公司（2023年1月1日起，變更為Orbray株式會社）聯合日本佐賀大學成功開發了超高純度2英寸金剛石晶圓的量產方法。雙方也利用2英寸晶圓，研發出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達2568V的半導體。

2022年8月，誕生了一家以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業，即日本早稻田大學下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標是把金剛石半導體行業的先驅一一川原田洋教授的研發成果推向實用化。

2023年10月，Diamond Foundry（簡稱DF）的公司，采用異質外延法創造出了世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），直徑100毫米、重110克拉。按照DF公司的說法，他們可以實現將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導體產業未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的技術基礎。

2023年11月，哈爾濱工業大學與華為專利，“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”。這項專利涉及芯片制造技術領域，主要是實現了以Cu/SiO₂混合鍵合為基礎的硅/金剛石三維異質集成。三維集成技術能實現多芯片、異質芯片集成等多層堆疊的三維（3D）集成，但電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰。

……

六、金剛石暫時離芯片很遙遠，在半導體產業鏈上率先做哪些？

1、熱沉——高功率器件最佳搭檔

散熱性能是金剛石材料與生俱來的，其熱導率和電學特性優勢十分顯著，沒有任何明顯短板，其熱導率可達2000W/m·k，是銅、銀的5倍，又是良好的絕緣體，這也使得金剛石器件擁有更高的功率處理能力，也意味著采用金剛石微波功率器件的電子系統有望擺脫龐大笨重的散熱模塊而實現輕量化、小型化。此外，在熱導率要求1000~2000W/m·k之間，金剛石是首選以及唯一可選熱沉材料。

目前高功率半導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在銅熱沉上。目前人造金剛石熱沉的熱導率最高已經達到1800W/m·k以上，遠遠大于氮化鋁和銅的熱導率。將其作為過渡熱沉，將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。

隨著新能源汽車的爆發，IGBT也獲得了高關注。作為新能源車的電機驅動部分最核心的元件，電動汽車用IGBT模塊的功率導電端子需要承載數百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，為大幅提高IGBT功率密度、散熱性能與長期可靠性，高效的散熱方案尤其重要。

2、封裝——超高熱導半導體封裝基板

電子制造業作為信息技術發展的重要支撐，也已經成為各國的重要支柱產業，中國也在新時期科技發展綱要中確定把高端芯片和極大規模集成電路制造業列為重大專項。隨著微電子技術的發展，高密度組裝、小型化特性愈發明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高，要求具有更高的熱導率、更匹配的熱膨脹系數以及更好的穩定性。目前，各種新型封裝基板材料已成為各大廠競相研發的熱點，其中金剛石作為新一代基板材料正得到愈來愈多的關注。目前，業界將金剛石顆粒中加入Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體，制備出金剛石/金屬基復合材料，并作為電子封裝的基板材料，已初步驗證其性能，既具有低熱膨脹系數又具有高熱導率，已實現小規模應用。

另外，隨著諸如ChatGPT這類生成式人工智能模型的應用熱潮洶涌，算力時代疾馳而至。算力向下扎根于數據，向上支撐著算法，是驅動AI發展的核心動力，這催生了散熱新需求。高性能芯片的散熱一直是電子產品服役中的突出難題，尤其是在“后摩爾時代”，先進封裝多芯片系統的功率和熱流密度急劇增加，芯片熱點的熱流密度甚至可達到核彈爆炸級別的kW/cm²，這也是限制高性能芯片功耗、算力和集成度的關鍵。

目前這一方向已經突破性進展，例如廈門大學于大全教授團隊與華為團隊合作開發了基于反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉接板（Interposer）封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。

3、微納加工

第三代半導體材料、器件已實現了從研發到規模性量產的成功跨越，并進入產業化快速發展階段，在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網、消費類電子等多個重點領域實現了應用突破。第三代半導體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件。其中，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應用在新能源汽車和工控等領域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應用在5G基站等領域。第三代半導體碳化硅材料硬度大，在碳化硅晶體切割、晶片研磨、晶片拋光等幾個生產環節均需使用金剛石微粉或相關產品進行加工。

對于消費電子行業而言，5G和物聯網等技術的快速發展需要更加復雜的材料和精細的加工，金剛石/超硬材料刀具、微粉等制品可為金屬、陶瓷和脆性材料等提供高質量的精密表面處理。例如，顯示玻璃基板是手機、電視等電子設備中顯示面板的重要組成部分，對面板的性能有著直接而顯著的影響。電子玻璃市場隨著電子產品出貨量的快速增長而不斷擴張，隨著行業技術迭代升級，對于產品性能和品質的要求不斷提高，將為金剛石/超硬材料制品創造廣闊的市場空間。

4、BDD電極

隨著現代經濟和社會的快速發展，各行業的污水排放量日益增加，污染物成分也越來越復雜，對人體健康和生態環境都產生了巨大的破壞。如何處理這些污水，成了全人類共同面對的巨大挑戰。電化學高級氧化工藝作為一種新型污水處理工藝，由于其具有所需設備簡單、操作容易、控制方便、適用范圍廣、無需添加化學試劑等優點被視為一種極具應用潛力的污水處理工藝。電化學高級氧化工藝的核心在于陽極材料，其中摻硼金剛石（BDD）電極因其極寬的電化學窗口、極高的析氧電位、極低的吸附特性和優異的抗腐蝕性能，被認為是電化學降解有機廢水的新型陽極材料，在污水處理中具有廣闊的應用前景，成為近年來的研究熱點。

5、量子科技應用

金剛石因為擁有超高的導熱性、導電性以及優異的光學特性，科學家常思考把它作為半導體材料應用于光電工程中的可能性，這也助推了金剛石在量子信息技術領域的發展。由于金剛石具有超寬的禁帶寬度，使其位于禁帶中深能級缺陷發光不被吸收而發射出來，形成一系列缺陷誘導的顏色中心，即所謂的“色心”。特別是，金剛石中與空位相關的缺陷，如氮空位（NV）或硅空位（SiV）中心。這些色心具有類似“單原子”的分立能級，非常適合用于量子信息處理、量子計算的載體、量子精密測量領域。目前這一方向，我國中科大、南京郵電大學均有團隊已初步產業化。

6、金剛石光學窗口

導彈導引頭的關鍵元件之一是保護光學與焦平面陣列的多光譜窗。高熱傳導性是其中成功的重要因素。因為與空氣的劇烈摩擦會導致窗口溫度的升高，引起紅外探測器的信噪比降低，最終會使窗口不透光。因此，窗口需要冷卻。已經驗證的一種冷卻窗口的方法是外膜冷卻，這種方法要求窗口必須有強大的熱傳導性。所有用于窗口制造的備選材料以金剛石為最佳，主要在于其熱膨脹系數最小，而熱導率最高的性能。

……

七、對于企業而言，活著更重要！

目前我國正在向金剛石強國邁進，并逐步進入金剛石多功能發展的轉型時期。這也需要進一步加強研制新型CVD設備，為大尺寸、高品質金剛石晶圓制備和后硅時代電子學的發展奠定堅實基礎。金剛石，作為半導體的優點真的很多！但只有金剛石產品的價格和品質達到一定的平衡點，企業愿意用這一材料，其功能應用嘗試才能快速拓張！怎么用？用在哪？賣給誰？這也需要政府、企業、科研機構共同行動！

當然，目前，對于企業而言，活著更重要！

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