钻石芯片，加速

2024-09-14

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当今时代，半导体行业正处于一个转型的关键时期，以硅为主导的半导体领域面临着高功率密度、高频、高温、高辐射等条件瓶颈；第三代半导体顺势而起，以GaN和SiC为代表的新材料的发展推动着功率器件不断向大功率、小型化、集成化和多功能方向前进，但散热、能效等关键特性依旧是业界矢志不渝的追求方向。

在追求极致性能与效率的时代，一场由金刚石引领的芯片革命正悄然兴起。

金刚石，指的就是还未经打磨的钻石原石。那么，作为一种闯入了大家视线中的新半导体材料，“钻石”芯片究竟有何魅力？无限可能背后，进展与挑战并存。

“钻石”芯片，魅力何在？

被誉为“自然界最坚硬物质”的金刚石，不仅硬度惊人，还拥有卓越的导热性能、极高的电子迁移率，拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数，以及其他优异的物理特性。

具体来看，金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV)、高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(2000W/m·k)等材料特性，以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈。

此外，金刚石拥有优异的物理特性，在光学领域具有良好透光性和折射率，适用于光电器件的研发；电学方面，其绝缘性能和介电常数使其在复杂电路中发挥稳定作用；机械性能方面，高强度和耐磨性确保芯片能够承受极端工作条件。

这些特性使得金刚石在芯片制造领域展现出巨大潜力，常被用于高功率密度、高频率电子器件的散热。在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。金刚石半导体被认为是极具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

通过使用金刚石电子器件，不仅可以减轻传统半导体的热管理需求，而且这些设备的能源效率更高，并且可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。

例如，在电动汽车中，基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能，支持下一代通信系统，包括射频开关、放大器和发射器；消费电子领域，单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发，从而带来新的产品创新并提高消费电子市场的整体性能。

据市场调研机构Virtuemarket数据指出，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024-2030年的预测复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下，亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场，到2023年预计将占全球收入份额的40%以上。

特性优势和广阔前景驱动下，金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极及量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。

热沉与散热： 金刚石凭卓越热导与绝缘性能成为高功率散热首选，金刚石单晶热沉片的热导率是铜、银的5倍。在半导体激光器中，金刚石热沉片显著提升散热，减低热阻，增强输出功率，延长寿命。

这一特性使得金刚石在新能源汽车、工业控制等领域的高功率IGBT模块中也具有广泛的应用前景，有助于实现更高效的散热和更高的功率密度。

目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉，将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。但在热导率要求1000~2000W/m·k之间时，金刚石是当前首选甚至唯一可选的热沉材料。金刚石用作热沉材料主要有两种形式，即金刚石薄膜和将金刚石与铜、铝等金属复合。

半导体封装基板： 基板是裸芯片封装中热传导的关键环节。Al 2 O 3 陶瓷是目前产量最多、应用最广的陶瓷基片，但由于其热膨胀系数 (7.2×10 ^-6 /℃) 和介电常数 (9.7) 相对Si单晶而言偏高, 热导率 (15-35W/ (m·K) ) 仍然不够高, 导致Al 2 O 3 陶瓷基片并不适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。

因此, 随着微电子技术的发展，高密度组装、小型化特性愈发明显，组件热流密度越来越大，对新型基板材料的要求越来越高。开发高热导率、性能更为完善的基片材料成为大势所趋。随之高导热陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、金刚石等逐步进入市场之中。

其中，金刚石凭借高热导率、低热膨胀系数和良好的稳定性，逐渐成为新一代封装基板材料的关注焦点。通过将金刚石颗粒与Ag、Cu、Al等高导热金属基体复合，制备出的金刚石/金属基复合材料已初步展现出其在电子封装领域的巨大潜力。

虽然单一的金刚石不易制作成封装材料，且成本较高，但其优胜于其他陶瓷基板材料数十倍甚至上百倍的热导率，也让许多大厂纷纷投入研究。特别是在算力需求激增的当下，金刚石封装基板为高性能芯片的散热问题提供了创新解决方案，助力AI、数据中心等行业的快速发展。

微纳加工： 第三代半导体材料如碳化硅、氮化镓加工困难，金刚石微粉及其产品因超硬特性成加工利器。

例如在碳化硅晶体的切割、研磨和抛光等环节，金刚石工具发挥了关键作用。此外，随着5G、物联网等技术的普及，消费电子行业对精密加工的需求日益增加，金刚石刀具和微粉制品为金属、陶瓷和脆性材料提供了高质量的精密表面处理方案，推动了行业的技术进步和产业升级。

此外，金刚石在光学窗口、BDD电极、量子科技等诸多领域颇具优势，被视为未来半导体材料的有力竞争者。

“钻石”芯片产业化，进展不断

目前，全球都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作。

Element Six赢得UWBGS项目

近日，Element Six（元素六）公司正在主导美国一个关键项目-开发使用单晶(SC)金刚石衬底的超宽带高功率半导体。该项目是由美国国防高级研究计划局（DARPA）主导的超宽带隙半导体（UWBGS）计划的一部分，旨在开发下一代面向国防和商业应用的先进半导体技术，突破半导体的性能和效率极限。

虽然制备的大尺寸金刚石晶圆可应用于热沉和光学领域，但在电子级半导体领域的商业化应用存在很多难题。比如大尺寸单晶金刚石的合成、剥离及研磨抛光的技术问题还有待进一步解决。

为此，Element Six与多个半导体行业的关键参与者建立了战略合作伙伴关系，包括法国的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美国的斯坦福大学和普林斯顿大学。这些合作将晶体位错工程、射频氮化镓技术以及材料表面和体积处理的专业知识集成在一起，对于推动超宽带隙半导体技术的发展至关重要。

据悉，Element Six是钻石公司De Beers的子公司，总部位于英国伦敦，是单晶金刚石和多晶金刚石合成方面的领军企业，其在化学气相沉积（CVD）技术方面拥有丰富的经验。

Element Six对UWBGS计划的贡献将利用该公司在大面积CVD聚晶金刚石和高质量单晶(SC)金刚石合成方面的专业知识，实现4英寸设备级SC金刚石基板。

SC金刚石衬底是实现先进电子产品的关键，包括大功率射频开关、雷达和通信放大器、高压功率开关、极端环境的高温电子产品、深紫外LED和激光器，支撑着数十亿美元的系统市场。

Element Six能够生产出高质量且具有高度有序晶体结构的单晶金刚石晶圆。目前，SC金刚石衬底已用于CERN大型强子对撞机的监测系统，并帮助发现了希格斯玻色子粒子。Element Six与高功率半导体领导者 ABB 合作，实现了首款高压块状金刚石肖特基二极管。此外，Element Six最近在俄勒冈州波特兰市完成了先进 CVD 设施的建设和调试，该设施利用其核心技术，由可再生能源提供动力。

在多晶金刚石方面，Element Six的多晶金刚石晶片直径已超4英寸，被广泛应用于EUV 光刻中的光学窗口以及高功率密度Si和GaN半导体器件的热管理应用。

此外，在高压器件方面，Element Six与瑞士企业ABB合作，实现了首款高压块状金刚石肖特基二极管，展示了基于金刚石的半导体在改变功率电子领域中的潜力。

同时，Element Six正在与其合作伙伴扩展在金刚石技术方面的核心能力。通过与日本Orbray进行知识产权和设备的交叉许可。Orbray已建立了直径为55毫米（约2英寸）的单晶金刚石基底的制造技术，该基底比传统基底更大。这将结合Element Six的CVD（化学气相沉积）技术和Orbray的专业知识，该技术可以沉积直径达150毫米（约6英寸）的钻石。其目标是建立具有优异耐压和散热性能的下一代功率半导体和通信半导体用大直径单晶金刚石基板的制造技术，扩大单晶金刚石晶圆的生产规模，并在超宽带隙半导体市场中占据更大的市场份额。

另外，Element Six近日在俄勒冈州波特兰市完成了一个先进的CVD设施的建设和调试，该设施由可再生能源驱动，能够大规模生产高质量的单晶金刚石基板。

需要强调的是，金刚石分为单晶和多晶两种。多晶金刚石一般用于热沉、红外和微波窗口、耐磨涂层等方面，但它不能真正发挥金刚石的优异电学性能，这是由于其内部存在晶界，会导致载流子迁移率及电荷收集效率大幅度降低，使得其所制备的电子器件性能受到严重抑制；单晶金刚石则不会有这种顾虑，一般用于探测器和功率器件等关键领域。

多年来，采用高压高温技术（HPHT）制造的合成金刚石广泛应用于研磨应用，充分发挥了金刚石极高硬度和极强耐磨性的特性。在过去20年中，基于化学气相沉积（CVD）的新金刚石生成方法已投入商业化应用，这样就使得以较低成本生成单晶和多晶金刚石。这些新合成方法支持全面开发利用金刚石的光学、热学、电化、化学以及电子属性。

华为布局金刚石

2023年11月，华为与哈尔滨工业大学联合申请的一项专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》，这项专利涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。

具体来看，就是通过Cu/SiO 2 混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。华为希望通过两者的结合，充分利用硅基半导体和金刚石的不同优势。

在专利书中提及，“随着集成密度不断升高以及特征尺寸不断缩小，电子芯片的热管理面临极大的挑战。芯片内部热积累难以向封装表层散热片传递，导致内部节温突升，严重威胁芯片性能、稳定性和使用寿命。”该专利利用的就是金刚石的高散热性，想要为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。

今年3月，厦门大学于大全教授团队与华为团队合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板封装芯片的背面，并采用热测试芯片（TTV）研究其散热特性。

Diamond Foundry，

培育全球首个单晶金刚石晶圆

一家由麻省理工、斯坦福大学、普林斯顿大学的工程师创立的企业——Diamond Foundry，在金刚石芯片方面也取得了进展。

据了解，这家企业希望使用单晶金刚石晶圆解决，限制人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子器件和无线通信芯片的热挑战。

2023年10月，Diamond Foundry培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片，具体的数据上，这个金刚石晶片直径100毫米、重量100克拉。Diamond Foundry目前已经可以在反应炉中培育出4英寸长宽、小于3毫米厚度的钻石晶圆，而这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。

Diamond Foundry开发了一套技术，为每个芯片植入钻石。以原子的方式直接连接金刚石，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。

热量情况对比

（图源：Diamond Foundry）

这一方案的优势在于，可以使得芯片的运行速度至少是额定速度的两倍。Diamond Foundry工程师表示，在英伟达最强大的AI芯片之一上使用这种方法，在实验条件下甚至能够将其额定的速度增加到三倍。

据Diamond Foundry早些时候透露，希望能够在2023年后引入单金刚石晶片，并在每个芯片后面放置一颗金刚石；预计在2033年前后，将金刚石引入半导体。

Advent Diamond：金刚石掺磷技术

美国的Advent Diamond也是这样一家致力于将金刚石半导体材料量产的初创公司，今年4月，Advent Diamond披露了在这一方面的进展。

据了解，Advent Diamond 公司的核心创新之一是在首选基底上生长单晶掺磷金刚石的能力，它是美国唯一一家拥有该能力的公司。掺磷技术的意义尤其重大，因为它能在金刚石中制造出n型半导体，而这正是电子设备开发的关键要素。此外，Advent Diamond 公司在大面积生长掺硼金刚石层方面也取得了里程碑式的进展，拓展了基于金刚石的电子产品的潜在应用领域。

Advent Diamond的专业技术不仅限于材料生长，还包括全面的元件设计、制造和表征能力。这包括蚀刻、光刻和金属化等先进的洁净室工艺，以及显微镜、椭偏仪和电学测量等一整套表征技术。Advent Diamond表示，自己利用这种尖端生长技术，开发出了杂质浓度极低的本征金刚石层，确保了半导体级金刚石材料的最高质量和性能标准。

据了解，目前Advent Diamond已有1-2英寸的镶嵌金刚石晶圆，并正在努力将晶片尺寸扩大到4英寸。然而，缺陷密度仍然是一个关键问题，大多数晶片的缺陷约为108个/cm²或更高，必须将缺陷降低到103缺陷/cm²，才能实现预期性能。

法国公司Diamfab：

2025年实现4英寸金刚石晶圆

此外，位于法国的半导体金刚石初创公司Diamfab也在为了金刚石芯片的技术而不断努力。

Diamfab是法国国家科学研究中心（CNRS）实验室奈尔研究所（Institut Néel）的衍生产品，也是30年来合成金刚石生长研发的成果。Diamfab项目最初在格勒诺布尔阿尔卑斯SATT Linksium进行孵化，该公司于2019年3月成立，由两位纳米电子学博士和半导体金刚石领域公认的研究人员Gauthier Chicot和Khaled Driche创办。

Diamfab表示，为了满足汽车、可再生能源和量子产业的半导体和功率元件市场需求，公司在合成金刚石的外延和掺杂领域开发出了突破性技术，并拥有四项专利，其专长在于薄金刚石层的生长和掺杂，以及金刚石电子元件的设计。

今年3月，该公司宣布获得870万欧元的首轮融资。这轮融资将使 Diamfab 能够建立一条试验生产线，对其技术进行工业化前处理，加速其发展，从而满足对金刚石半导体日益增长的需求。

Diamfab已经申请了全金刚石电容器的专利，并在与该领域的领先企业合作。Diamfab首席执行官Gauthier Chicot说道：“在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过1000A/cm ² 的高电流密度和大于7.7MV/cm 的击穿电场。这些是未来设备性能的关键参数，并且已经优于SiC等现有材料为电力电子设备提供的参数。此外，我们有一个明确的路线图，到2025年实现4英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”

日本全面发力金刚石芯片产业

根据已经宣布的研究成果来看，日本对于金刚石芯片的产业化探索更加全面。

从2022年开始，日本生成了可用于量子计算项目纯度的金刚石晶圆；2023年年初，日本佐贺大学教授和日本精密零部件制造商Orbray，合作开发了一个金刚石制成的功率半导体，这个功率半导体可以以1cm² 875兆瓦的电力运行，在金刚石半导体中，输出功率值为全球最高；同年8月，日本的千叶大学科研团队提出了一种新的激光技术可以沿着最佳晶体平面“毫不费力地切割”钻石。

千叶大学科研团队切割方式

基于激光的切割工艺，可以干净地切割钻石而不破坏钻石。研究人员表示，新技术通过将短激光脉冲聚焦到材料内狭窄的锥形体积上，防止激光切割过程中不良裂纹的传播。

千叶大学表示，这项新提出的技术可能是将钻石转变为“适合未来更高效技术的半导体材料”的关键一步。Hidai教授表示，用激光切割钻石“能够以低成本生产高质量的晶圆”，并且对于制造钻石半导体器件是必不可少的。

美国公司Akhan

Akhan公司专门从事实验室制造合成电子级金刚石材料，早在2021年8月，Akhan就宣布开发出首款将CMOS硅与金刚石基板结合在一起的300毫米晶圆，取得了阶段性里程碑。

2013年左右，Akhan又获得了美国能源部阿贡国家实验室开发的突破性低温金刚石沉积技术的独家金刚石半导体应用许可权。这项技术可以在低至400摄氏度的温度下在各种晶片基底材料上沉积纳米金刚石。来自阿贡的低温金刚石技术与Akhan的Miraj Diamond工艺相结合，打破了半导体行业中金刚石薄膜的使用仅限于p型掺杂的障碍。

后续，Akhan又宣布了其Miraj Diamond平台，它开发了一种申请专利的新工艺，其中在硅上创建n型金刚石材料，具有以前未证实的特性。

在半导体行业观察此前文章 《金刚石芯片，商用在即》 中提到，Akhan的创始人兼首席执行官Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，专注于半导体领域，目的是利用金刚石的优异特性为电力电子和量子光子设备提供先进的解决方案。

今年5月，Diamond Quanta宣布，其拥有的“统一金刚石框架”有利于真正的取代掺杂。这项创新技术将新元素无缝地融入钻石的结构中，赋予钻石新的特性，同时又不破坏其晶体完整性。

因此，金刚石已转变为能够支持负（n型）和正（p型）电荷载流子的高性能半导体。这种迁移率水平表明金刚石晶格非常干净、有序，并且由于成功实施了减轻载流子传输缺陷影响的共掺杂策略，散射中心得到了有效钝化。此外，掺杂过程通过修正位错来细化现有的金刚石结构，从而提高材料的导电性。这些进步不仅保留而且增强了金刚石结构，避免了常见的缺陷，例如明显的晶格畸变或引入通常会降低迁移率的陷阱态。

“启动Diamond Quanta并开发这种先进的掺杂工艺是必要的。电子、汽车、航空航天、能源等行业一直在寻找一种半导体技术，能够应对其技术扩张不断变化的需求所带来的日益增长的压力。”Adam Khan说道。“我们的技术不仅仅为寻求提高半导体效率的行业提供替代材料；我们正在推出一种全新材料，它将重新定义性能、耐用性和效率的标准，它将在无缝地为现代时代日益沉重的负载提供动力方面发挥不可或缺的作用。”

韩国团队：降低金刚石薄膜成本

今年4月，又来自韩国基础科学研究所的材料科学团队在《自然》杂志刊文，宣布成功在标准大气压和1025°C下实现钻石合成，该制备方法有望为金刚石薄膜的生产开创一条成本更低的道路。

该研究团队负责人Rodney Ruoff表示，几年前注意到合成金刚石不一定需要极端条件，将液态金属镓暴露在甲烷气体中可生成金刚石的同素异形体石墨，这启发了Ruoff对含镓液金从含碳气体中“脱碳”进而生成金刚石路线的研究。一次巧合中，Ruoff团队发现，当反应环境引入硅单质后，出现了微小的金刚石晶体。根据这一现象，实验团队改进了反应装置，将含有液态镓、铁、镍和硅的混合物暴露在甲烷氢气混合气氛中，并加热到1025°C，成功在不使用高压和晶种的条件下生成了金刚石。目前Ruoff团队已成功制备由数千个金刚石晶体组成的微型金刚石薄膜。

如果未来这一常压合成技术能成功推广至更大规模，那将开辟一条更经济、更简便的金刚石薄膜制备道路，有望为量子计算机和功率半导体发展提供强大助力。

不止上述这几家企业在推动“钻石”芯片的产业化。还有不少行业公司都在投身于此。

从种种动向来看，目前业界对金刚石半导体的关注程度越高，优势资源不断汇集，也加速了研发和产业化速度。这意味着“钻石”晶圆时代的开始。

总而言之，金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性，如高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等。目前业界正在向金刚石进一步迈进，并逐步进入金刚石多功能发展的转型时期。

未来，随着大尺寸、高质量以及大范围、高灵活度的金刚石沉积技术的逐步开发，有望使大规模集成电路和高速集成电路的发展进入一个新时代。