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來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 為了實(shí)現(xiàn)去碳化目標(biāo)，過(guò)去幾年時(shí)間中，行業(yè)正在不斷追求更高效、更強(qiáng)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(dòng)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(wú)與倫比的硬度和亮度而聞名，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，珠寶首飾是它最廣泛也是最有價(jià)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(shì) 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(shì)：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(gè)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(fèi)大量精力來(lái)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(yùn)行過(guò)程中找到一個(gè)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(qiáng)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(jì)設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(dòng)汽車帶來(lái)價(jià)值。 如果重點(diǎn)是降低設(shè)備成本，那么可以設(shè)計(jì)出比碳化硅芯片成本低 30% 的金剛石芯片，因?yàn)樵陔姎庑阅芎托氏嗤那闆r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(guò)提高開關(guān)頻率，金剛石器件可將無(wú)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(guò)縮小散熱器來(lái)實(shí)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(chǎng)強(qiáng)度，表示材料能承受的最大電壓不造成電擊穿。作為對(duì)比，硅材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(lái)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(shí)現(xiàn)高效散熱，確保運(yùn)行穩(wěn)定性并防止過(guò)熱。5G 基礎(chǔ)設(shè)施的不斷推出和對(duì)更快數(shù)據(jù)速度的無(wú)限需求，推動(dòng)了各種 5G 相關(guān)設(shè)備對(duì)金剛石基板的采用。5G 數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)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(duì)，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(dòng)汽車、用于可再生能源的電源逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、大功率激光器和先進(jìn)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(zhǎng)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(guò)渡和汽車電氣化進(jìn)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(guò)程中的能量損耗可以提高整體效率，這是電動(dòng)汽車和可持續(xù)電網(wǎng)的一個(gè)重要方面。金剛石基底能夠設(shè)計(jì)出更緊湊、重量更輕的電力電子器件，這對(duì)電動(dòng)汽車等空間受限的應(yīng)用至關(guān)重要。 國(guó)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(chǎng)價(jià)值為1.51億美元，預(yù)計(jì)到2030年底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)12.3%。其認(rèn)為，在中國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求的推動(dòng)下，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)，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(jià)格約為硅的 10,000 倍。 另一個(gè)問題是金剛石晶片尺寸太小，市場(chǎng)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(huì)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?cè)谒{(lán)寶石襯底上制成2英寸的單晶圓，2023年10月，美國(guó)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(guó)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(wàn)歐元的首輪融資。這筆資金來(lái)自Asterion Ventures、法國(guó)政府代表法國(guó)政府管理的法國(guó)科技種子基金（法國(guó)2030的一部分）、Kreaxi與Avenir Industrie Auvergne-Rhône-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(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）實(shí)驗(yàn)室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產(chǎn)品，也是 30 年來(lái)合成金剛石生長(zhǎng)研發(fā)的成果。Diamfab 項(xiàng)目最初在格勒諾布爾阿爾卑斯 SATT Linksium 進(jìn)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(chǎng)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(xiàng)專利，其專長(zhǎng)在于薄金剛石層的生長(zhǎng)和摻雜，以及金剛石電子元件的設(shè)計(jì)。 第一輪融資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗(yàn)生產(chǎn)線，對(duì)其技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化前處理，加速其發(fā)展，從而滿足對(duì)金剛石半導(dǎo)體日益增長(zhǎng)的需求。 Diamfab此前已經(jīng)申請(qǐng)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(shuō)道：“在其他參數(shù)中，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)：超過(guò) 1000A/cm2 的高電流密度和大于 7.7MV/cm 的擊穿電場(chǎng)。這些是未來(lái)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(gè)明確的路線圖，到 2025 年實(shí)現(xiàn) 4 英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。” “在過(guò)去的兩年中，我們?cè)谂c研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進(jìn)展。現(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(shí)還能以輕型工廠模式直接向最終用戶銷售產(chǎn)品，”Chicot 說(shuō)。 “在像我們這樣的尖端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，每個(gè)階段都至關(guān)重要。試點(diǎn)項(xiàng)目將促進(jìn)我們與合作伙伴的許多討論，并加強(qiáng)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(diǎn)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(guò)轉(zhuǎn)移歐洲的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這也是我們與 Asterion 合作的投資重點(diǎn)之一，”負(fù)責(zé)此次交易的 Asterion Ventures 合伙人 Charles-Henry Choel 解釋說(shuō)，“工業(yè)深度技術(shù)公司需要冷靜、長(zhǎng)期的支持，而這正是我們所能提供的。” 無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)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(jìn)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(zhǎng)單晶摻磷金剛石的能力，它是美國(guó)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?yàn)樗茉诮饎偸兄圃斐?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(zhǎng)摻硼金剛石層方面也取得了里程碑式的進(jìn)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(zhǎng)，還包括全面的元件設(shè)計(jì)、制造和表征能力。這包括蝕刻、光刻和金屬化等先進(jìn)的潔凈室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學(xué)測(cè)量等一整套表征技術(shù)。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長(zhǎng)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(jí)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(cè)器為國(guó)防、商業(yè)和科學(xué)市場(chǎng)提供了變革性的解決方案。通過(guò)利用摻雜和本征半導(dǎo)體金剛石層，這些探測(cè)器在探測(cè)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(cè)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(shí)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(kuò)大到 4 英寸。然而，缺陷密度仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題，大多數(shù)晶片的缺陷約為 108個(gè)/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(shí)現(xiàn)預(yù)期性能。 為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，有關(guān)機(jī)構(gòu)正在資助可擴(kuò)展的金剛石技術(shù)項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)開發(fā)高質(zhì)量的材料和先進(jìn)的半導(dǎo)體器件。在全球范圍內(nèi)，研究小組正致力于改進(jìn)二極管、晶體管和集成電路等金剛石器件結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)合作旨在推動(dòng)金剛石半導(dǎo)體進(jìn)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(shuō)，“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(wú)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(chǎng)，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(jī)械拋光，以減少缺陷、增強(qiáng)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(gè)將金剛石 RF 二極管和其他突破性半導(dǎo)體器件推向市場(chǎng)的公司。” 在美國(guó)，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(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的突破性低溫金剛石沉積技術(shù)的獨(dú)家金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用許可權(quán)。 這項(xiàng)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(lái)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(tái)，它開發(fā)了一種申請(qǐng)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(shí)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(wú)石墨相以及低壓大電流二極管器件應(yīng)用中先前未證實(shí)的性能（+2V 正向偏壓時(shí)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(jìn)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(xiàng)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(shí)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?fù)（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(shí)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(guò)程通過(guò)修正位錯(cuò)來(lái)細(xì)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(jìn)步不僅保留而且增強(qiáng)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(huì)降低遷移率的陷阱態(tài)。 “啟動(dòng) Diamond Quanta 并開發(fā)這種先進(jìn)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(duì)其技術(shù)擴(kuò)張不斷變化的需求所帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的壓力。”Diamond Quanta 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Adam Khan 說(shuō)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(wú)縫地為現(xiàn)代時(shí)代日益沉重的負(fù)載提供動(dòng)力方面發(fā)揮不可或缺的作用。” 寫在最后 與國(guó)外相比，雖然目前國(guó)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(duì)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(zhǎng)王東曾在報(bào)告中提到，國(guó)內(nèi)金剛石發(fā)展大而不強(qiáng)，在高端裝備、電子級(jí)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(lái)看，美國(guó)、歐洲、日本的研究處于領(lǐng)先地位，我國(guó)發(fā)展相對(duì)緩慢，原創(chuàng)性研究偏少。 即便是國(guó)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(dòng)下，具備各種優(yōu)異特性的金剛石材料在未來(lái)會(huì)得到進(jìn)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。 |
