中國粉體網(wǎng)訊 當(dāng)今時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)正處于一個(gè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，以硅為主導(dǎo)的半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨著高功率密度、高頻、高溫、高輻射等條件瓶頸；第三代半導(dǎo)體順勢而起，以GaN和SiC為代表的新材料的發(fā)展推動(dòng)著功率器件不斷向大功率、小型化、集成化和多功能方向前進(jìn)，但散熱、能效等關(guān)鍵特性依舊是業(yè)界矢志不渝的追求方向。
金剛石作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程是否已經(jīng)臨近？事實(shí)上，在新一代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，各國也都在紛紛發(fā)力。
Element Six贏得UWBGS項(xiàng)目
在人造金剛石先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)的全球領(lǐng)導(dǎo)者-Element Six（元素六），正主導(dǎo)美國一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目-開發(fā)使用單晶（SC）金剛石襯底的超寬帶高功率半導(dǎo)體。該項(xiàng)目是由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）主導(dǎo)的超寬帶隙半導(dǎo)體（UWBGS）計(jì)劃的一部分，旨在開發(fā)下一代面向國防和商業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，突破半導(dǎo)體的性能和效率極限。
圖源：eeNews
為此，Element Six與多個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵參與者建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，包括法國的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美國的斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)。這些合作將晶體位錯(cuò)工程、射頻氮化鎵技術(shù)以及材料表面和體積處理的專業(yè)知識(shí)集成在一起，對(duì)于推動(dòng)超寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
Diamond Foundry，培育全球首個(gè)單晶金剛石晶圓
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)-Diamond Foundry，在金剛石芯片方面也取得了進(jìn)展。據(jù)了解，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)汽車電力電子器件和無線通信芯片的熱挑戰(zhàn)。
2023年10月，Diamond Foundry培育出了世界上第一個(gè)單晶金剛石晶片，該金剛石晶片直徑100毫米、重量100克拉。Diamond Foundry目前已經(jīng)可以在反應(yīng)爐中培育出4英寸長寬、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。
Diamond Foundry開發(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。
熱量情況對(duì)比 圖源：Diamond Foundry
日本全面發(fā)力金剛石芯片產(chǎn)業(yè)
對(duì)于金剛石半導(dǎo)體寄予厚望的還有日本。
《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站稱，日本初創(chuàng)企業(yè)OOKUMA公司計(jì)劃將被稱為“終極半導(dǎo)體”的金剛石半導(dǎo)體推向?qū)嵱没钤鐚⒃?026年度投產(chǎn)。OOKUMA公司發(fā)現(xiàn)，金剛石半導(dǎo)體器件在450攝氏度的高溫和輻射強(qiáng)度極高的惡劣環(huán)境下也能正常工作，公司生產(chǎn)的金剛石半導(dǎo)體器件將首先用于福島第一核電站的核廢料處理。為力爭應(yīng)用于衛(wèi)星通信，該公司與三菱電機(jī)等啟動(dòng)了聯(lián)合研究，與日本廠商共同推進(jìn)純電動(dòng)汽車器件的開發(fā)。
Orbray株式會(huì)社也在積極推進(jìn)金剛石材質(zhì)的晶圓業(yè)務(wù)。“Orbray”研發(fā)了一種以藍(lán)寶石（Sapphire）為襯底，異質(zhì)外延生長金剛石晶圓的生產(chǎn)方法，如今已經(jīng)成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標(biāo)是未來生產(chǎn)出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導(dǎo)體應(yīng)用方向外，“Orbray”還在利用其它生長方法研發(fā)用于量子計(jì)算機(jī)的超高純度晶圓，并以實(shí)現(xiàn)商用為目標(biāo)。
“Orbray”研發(fā)的2英寸金剛石晶圓
2022年5月，日本佐賀大學(xué)的嘉數(shù)誠教授與Orbray公司聯(lián)手利用2英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達(dá)2568V的半導(dǎo)體。
2023年5月，Orbray宣布與豐田旗下車載半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)Mirise Technologies簽訂協(xié)議，共同研發(fā)鉆金剛石功率半導(dǎo)體。
2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達(dá)成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn)“全球品質(zhì)最高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現(xiàn)其對(duì)工業(yè)重視及布局領(lǐng)先性。
法國公司Diamfab：2025年實(shí)現(xiàn)4英寸金剛石晶圓
此外，位于法國的半導(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。
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)，并擁有四項(xiàng)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(shè)計(jì)。
今年3月，該公司宣布獲得870萬歐元的首輪融資。這輪融資將使 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)體日益增長的需求。
Diamfab已經(jīng)申請(qǐng)了金剛石電容器的專利，并在與該領(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(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。”
韓國團(tuán)隊(duì)：降低金剛石薄膜成本
今年4月，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)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)開創(chuàng)一條成本更低的道路。
該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Rodney Ruoff表示，幾年前注意到合成金剛石不一定需要極端條件，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Ruoff對(duì)含鎵液金從含碳?xì)怏w中“脫碳”進(jìn)而生成金剛石路線的研究。目前Ruoff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。
結(jié)語
早在五六十年前，科學(xué)界就曾掀起研究金剛石半導(dǎo)體的熱潮，但時(shí)至今日，也未能大規(guī)模用上金剛石半導(dǎo)體所制造的器件。
盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導(dǎo)體鏈中展現(xiàn)活力與應(yīng)用潛力。未來，隨著大尺寸、高質(zhì)量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術(shù)的逐步開發(fā)，有望使半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
參考來源：
1.環(huán)球時(shí)報(bào)：下一代芯片用什么半導(dǎo)體材料
2.中國地質(zhì)大學(xué)北京鄭州研究院，半導(dǎo)體行業(yè)觀察
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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