華為的“鉆石”專(zhuān)利

不久前，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的一項(xiàng)專(zhuān)利，這項(xiàng)專(zhuān)利涉及一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法。

具體來(lái)看，就是通過(guò)Cu/SiO2混合鍵合技術(shù)將硅基與金剛石襯底材料進(jìn)行三維集成。華為希望通過(guò)兩者的結(jié)合，充分利用硅基半導(dǎo)體和金剛石的不同優(yōu)勢(shì)。

硅基半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)不用多說(shuō)，有成熟的工藝及產(chǎn)線(xiàn)、生產(chǎn)效率高并且成本較低。

金剛石則是已知天然物質(zhì)中熱導(dǎo)率最高的材料，室溫下金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000Wm1K1，同時(shí)金剛石是寬禁帶半導(dǎo)體，具備擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、載流子遷移率高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。

在專(zhuān)利書(shū)中提及，本次結(jié)合利用的就是金剛石極高的發(fā)展?jié)摿Γ胍獮槿S集成的硅基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。

實(shí)際上，引發(fā)半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)“瘋狂”的“鉆石”芯片在國(guó)際上并非只有華為一家。近年來(lái)，“鉆石”芯片的研發(fā)消息頻頻傳來(lái)。

金剛石強(qiáng)在哪里

先說(shuō)金剛石的高熱導(dǎo)率。在大阪公立大學(xué)的研究里，提到了“由金剛石為襯底制作的氮化鎵晶體管，其散熱能力提高兩倍之多”。

目前而言，芯片制造面臨的最大基本挑戰(zhàn)之一便是溫度控制。對(duì)于大部分硅制的芯片來(lái)說(shuō)，一旦溫度過(guò)高，那么芯片就會(huì)變得不可靠。

而金剛石恰好是一種完美的“散熱器”。在熱導(dǎo)率數(shù)值上，它比碳化硅大4倍，比硅大13倍，可以有效降低半導(dǎo)體器件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。

金剛石的5.5eV的禁帶寬度。金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上。

優(yōu)秀的禁帶寬度也使得金剛石擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)。甚至被稱(chēng)為“終極半導(dǎo)體”。日本開(kāi)發(fā)的金剛石功率半導(dǎo)體利用的就是這一特性。

同時(shí)，需要注意，在2022年，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱(chēng)出于國(guó)家安全考慮，將四項(xiàng)“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”納入新的出口管制，其中之一就是能承受高溫高電壓的第四代半導(dǎo)體材料金剛石。

金剛石的特殊的能量結(jié)構(gòu)。這個(gè)特性主要是關(guān)于金剛石用在量子存儲(chǔ)中。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，金剛石量子存儲(chǔ)器能將光子轉(zhuǎn)換成金剛石中碳原子的特定振動(dòng)，適用于許多不同顏色光的這種轉(zhuǎn)換，將允許對(duì)光進(jìn)行廣譜操縱。

金剛石的能量結(jié)構(gòu)允許其以很低的噪聲在室溫下實(shí)現(xiàn)。從理論上來(lái)說(shuō)，金剛石半導(dǎo)體在室溫下工作，性能最高。 

日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐賀大學(xué)研發(fā)出的可以用于量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的金剛石晶圓，主要希望利用這一特性。

金剛石芯片面臨的挑戰(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(wèn)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(wèn)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)。

 

     

國(guó)外企業(yè)聯(lián)合推進(jìn)

2023年初，日本佐賀大學(xué)與日本Orbray共同合作開(kāi)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。

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)科技種子基金等。

 

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(kāi)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。 

   

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(wèn)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。

結(jié)尾：

總而言之，金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，如高熱導(dǎo)率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學(xué)透過(guò)性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等。

未來(lái)，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)金剛石的更深入研究，金剛石可能會(huì)成為制造高效、穩(wěn)定、耐用的芯片的關(guān)鍵材料。