金剛石芯片，商用在即

轉自：半導體行業觀察，作者：邵逸琦

這兩年，金剛石逐漸成為了半導體行業的熱點。

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

而在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石也就是鉆石，作為一種新半導體材料闖入了大家的視線當中，并引發了研究人員和行業專家的關注。

金剛石以其無與倫比的硬度和亮度而聞名，半個多世紀以來，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，在半導體材料中開辟了一番廣闊的前景。

金剛石芯片，有何優勢

與現有的半導體材料相比，金剛石主要具有三大優勢：熱管理、成本/效率優化和二氧化碳減排。

在所有傳統的功率轉換器中，冷卻系統都是一個必要的累贅。與大多數半導體材料不同，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備在 150 攝氏度（功率設備的典型工作溫度）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定的狀態即可。

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。

在設計設備和轉換器時，必須在系統的能效與成本、尺寸和重量之間做出權衡。金剛石也不例外，但金剛石能在關鍵參數上為更節能的電動汽車帶來價值。

如果重點是降低設備成本，那么可以設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，從而直接節省能耗。

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

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，金剛石基板具有優異的導熱性，可為高功率 5G 元件（基站、放大器）實現高效散熱，確保運行穩定性并防止過熱。5G 基礎設施的不斷推出和對更快數據速度的無限需求，推動了各種 5G 相關設備對金剛石基板的采用。5G 數據流量的指數級增長意味著需要設備能夠管理在極高頻率下產生的大功率密度。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、工業電機驅動器、大功率激光器和先進電源都是金剛石襯底應用日益廣泛的領域。

金剛石襯底作為出色的散熱器，可以延長這些設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，金剛石襯底也將發揮至關重要的作用。盡量減少功率轉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電網的一個重要方面。金剛石基底能夠設計出更緊湊、重量更輕的電力電子器件，這對電動汽車等空間受限的應用至關重要。

國外的Virtuemarket的數據指出，2023年全球金剛石半導體基材市場價值為1.51億美元，預計到2030年底市場規模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預測期內，該市場預計將以復合年增長率增長12.3%。其認為，在中國、日本和韓國等國家電子和半導體行業不斷增長的需求的推動下，亞太地區預計將主導金剛石半導體襯底市場，到 2023 年將占全球收入份額的 40% 以上。

金剛石芯片，面臨挑戰

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。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。

除了上述兩家公司外，位于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（法國2030的一部分）、Kreaxi與Avenir Industrie Auvergne-Rh?ne-Alpes地區基金、Better Angle、Hello Tomorrow和格勒諾布爾阿爾卑斯大區。

Diamfab 是法國國家科學研究中心（CNRS）實驗室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產品，也是 30 年來合成金剛石生長研發的成果。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，由兩位納米電子學博士和半導體金剛石領域公認的研究人員 Gauthier Chicot 和 Khaled Driche 創辦。

Diamfab表示，為了滿足汽車、可再生能源和量子產業的半導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域開發出了突破性技術。其在合成金剛石的外延和摻雜領域開發出了突破性技術，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計。

第一輪融資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗生產線，對其技術進行工業化前處理，加速其發展，從而滿足對金剛石半導體日益增長的需求。

Diamfab此前已經申請了全金剛石電容器的專利，并正在與該領域的領先企業合作， Diamfab 首席執行官 Gauthier Chicot 說道：“在其他參數中，我們已經實現了我們的目標：超過 1000A/cm2 的高電流密度和大于 7.7MV/cm 的擊穿電場。這些是未來設備性能的關鍵參數，并且已經優于 SiC 等現有材料為電力電子設備提供的參數。此外，我們有一個明確的路線圖，到 2025 年實現 4 英寸晶圓，作為大規模生產的關鍵推動因素。”

“在過去的兩年中，我們在與研發團隊合作加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進展。現在，我們基于雙重業務模式的應用導向方法將使我們能夠與更廣泛的工業合作伙伴合作，開發和銷售高附加值金剛石晶片和我們的專利金剛石設備制造工藝，同時還能以輕型工廠模式直接向最終用戶銷售產品，”Chicot 說。

“在像我們這樣的尖端產業的發展過程中，每個階段都至關重要。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系。與致力于該行業和氣候的投資者合作，最重要的是他們了解該行業的制約因素和聯系，這一點至關重要，” Chicot表示。

“我們開發的技術可以大大減少半導體的歷史碳足跡，并通過轉移歐洲的關鍵產業來實現這一目標，這也是我們與 Asterion 合作的投資重點之一，”負責此次交易的 Asterion Ventures 合伙人 Charles-Henry Choel 解釋說，“工業深度技術公司需要冷靜、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體材料量產的初創公司，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。

據了解，Advent Diamond 公司的核心創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。摻磷技術的意義尤其重大，因為它能在金剛石中制造出 n 型半導體，而這正是電子設備開發的關鍵要素。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品的潛在應用領域。

Advent Diamond的專業技術不僅限于材料生長，還包括全面的元件設計、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、橢偏儀和電學測量等一整套表征技術。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長技術，開發出了雜質濃度極低的本征金剛石層，確保了半導體級金剛石材料的最高質量和性能標準。

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。通過利用摻雜和本征半導體金剛石層，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 射線和質子，彰顯了Advent Diamond的技術實力。

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。

為了應對這些挑戰，有關機構正在資助可擴展的金剛石技術項目，強調開發高質量的材料和先進的半導體器件。在全球范圍內，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構。這項合作旨在推動金剛石半導體進入主流應用領域，提高關鍵領域的性能和可靠性。

“Advent Diamond 正在引領成熟的摻雜 [p 型和 n 型] 和本征金剛石材料層的開發，以及由這些優質金剛石層制成的組件/設備，用于電氣化、電信和量子技術的應用，” Manpuneet Benipal說，“金剛石表現出卓越的電氣和材料特性，超越了 GaN 和 SiC，我們的目標是將這些特性轉化為卓越的半導體器件性能。我們的愿景是將具有無與倫比的規格和性能的金剛石半導體器件引入商業市場，刺激電氣化、電信和量子應用領域的創新。我們特別重視表面處理，例如反應離子蝕刻和與金剛石兼容的化學機械拋光，以減少缺陷、增強界面、提高均勻性和結晶度，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。這種方法可確保創建高性能的金剛石半導體器件、輻射傳感器和量子材料/器件，以供廣泛的商業應用。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體材料的研發，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的突破性低溫金剛石沉積技術的獨家金剛石半導體應用許可權。

這項技術可以在低至 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與 Akhan 的 Miraj Diamond 工藝相結合，打破了半導體行業中金剛石薄膜的使用僅限于 p 型摻雜的障礙。

Akhan在后續正式宣布了自己的Miraj Diamond平臺，它開發了一種申請專利的新工藝，其中在硅上創建 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又宣布開發出首款將 CMOS 硅與金剛石基板結合在一起的 300 毫米（12 英寸）晶圓，取得了階段性的里程碑。

Akhan的創始人兼首席執行官Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，該公司專注于半導體領域，目的是利用金剛石的優異特性為電力電子和量子光子設備提供先進的解決方案。

Diamond Quanta在5月宣布，其擁有的“統一金剛石框架”有利于真正的取代摻雜。這項創新技術將新元素無縫地融入鉆石的結構中，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（一種傳統上以其絕緣特性而聞名的材料）已轉變為能夠支持負（n 型）和正（p 型）電荷載流子的高性能半導體。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有的金剛石結構，從而提高材料的導電性。這些進步不僅保留而且增強了金剛石結構，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。

“啟動 Diamond Quanta 并開發這種先進的摻雜工藝是必要的。電子、汽車、航空航天、能源等行業一直在尋找一種半導體技術，能夠應對其技術擴張不斷變化的需求所帶來的日益增長的壓力。”Diamond Quanta 創始人兼首席執行官 Adam Khan 說道。“我們的技術不僅僅為尋求提高半導體效率的行業提供替代材料；我們正在推出一種全新材料，它將重新定義性能、耐用性和效率的標準，它將在無縫地為現代時代日益沉重的負載提供動力方面發揮不可或缺的作用。”

寫在最后

與國外相比，雖然目前國內的金剛石產量較高，但在功能性應用的領域，尤其是對金剛石材料的開發，還處在較為落后的階段。

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

即便是國外，在量產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，具備各種優異特性的金剛石材料在未來會得到進一步發展，幫助半導體材料領域邁出至關重要的一步。

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