金剛石，如何在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中找準(zhǔn)“定位”？

轉(zhuǎn)自：Carbontech

最近幾年，“金剛石半導(dǎo)體”這一詞匯變得很時髦！但凡去和一個企業(yè)溝通，就說“我們目標(biāo)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)！”眾所周知，金剛石材料，一貫被吹捧為終極半導(dǎo)體材料，那這究竟能什么時候落地？到底是概念性，或是噱頭，還是有實力？我們要認清一個現(xiàn)實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業(yè)用起來！

一、金剛石，“終極半導(dǎo)體材料”優(yōu)勢

金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶(5.45 eV)、高擊穿場強(10 MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率(22 W/cm·K)等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質(zhì)因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領(lǐng)域發(fā)展起到重要作用。金剛石半導(dǎo)體被公認為是最具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽為“終極半導(dǎo)體材料”。

金剛石，作為半導(dǎo)體的優(yōu)點很多，但怎么用起來？用在什么場景？究竟能什么時候落地？我們要認清一個現(xiàn)實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業(yè)用起來?。?！所以說，金剛石，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中找準(zhǔn)“定位”，很重要！

在了解金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中“定位”這一問題前，我們先弄清楚半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈及為什么需要發(fā)展新型半導(dǎo)體。

二、材料在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)什么位置？

1、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括設(shè)計、制造、封裝與測試三大環(huán)節(jié)與半導(dǎo)體設(shè)備及材料兩大支柱產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體材料處于整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著重要支撐作用，具有產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、細分行業(yè)多、技術(shù)門檻高、研發(fā)投入大、研發(fā)周期長等特點。其中，半導(dǎo)體襯底材料是半導(dǎo)體行業(yè)的重要組成部分，是制造半導(dǎo)體器件和集成電路的基礎(chǔ)材料。

2、在過去的數(shù)十年間，硅基芯片引領(lǐng)了世界范圍的信息化浪潮。

世界范圍的信息化浪潮正帶來全球網(wǎng)絡(luò)化、國家數(shù)字化、社會智能化的整體轉(zhuǎn)變，5G、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等先進技術(shù)的誕生和蓬勃發(fā)展，以及向生產(chǎn)生活各層面的深度滲透，更加速推動信息時代的快速發(fā)展。在世界數(shù)字化洶涌前行的背后，是硅基半導(dǎo)體芯片性能的持續(xù)飛速提升，提供了存儲、運算、網(wǎng)絡(luò)、智能的多維度底層支撐，為數(shù)字升級、智能互聯(lián)打造了堅實的硬件基礎(chǔ)。

三、為什么要發(fā)展新型半導(dǎo)體材料？

1、行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的衡量指標(biāo)——摩爾定律

目前，硅基半導(dǎo)體在我們的日常生活中扮演著重要角色，手機、電腦、通信、算力系統(tǒng)……，不可或缺！那為什么要研究發(fā)展其他半導(dǎo)體材料體系，這就不得不提半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的衡量指標(biāo)——摩爾定律。

1965年，英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾發(fā)布了集成電路行業(yè)最知名的定律：“每隔18個月，同樣面積內(nèi)晶體管數(shù)量翻倍，但是價格不變?！边@就是后來被稱為“集成電路的指數(shù)級增長”的摩爾定律。60多年來，晶體管數(shù)量的增長得益于制程工藝的創(chuàng)新，與摩爾定律一直保持著“默契”。芯片的尺寸越來越小，性能應(yīng)用越來越先進。儼然，摩爾定律已成為半導(dǎo)體企業(yè)保持技術(shù)領(lǐng)先的衡量指標(biāo)：保持摩爾定律企業(yè)就能生存，不能保持摩爾定律企業(yè)就會在競爭中被淘汰。

2、摩爾定律正遭遇技術(shù)與成本兩大發(fā)展瓶頸

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、超級計算等時代的到來，對半導(dǎo)體材料與器件提出了更高的性能要求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)即將步入亟需轉(zhuǎn)變突破發(fā)展的關(guān)鍵點。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，特別是在進入到納米尺度范圍后，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展面臨一系列物理限制條件，既有來自于基本物理規(guī)律的限制，也有來自于材料、技術(shù)、器件和系統(tǒng)方面的限制。單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。目前，全球半導(dǎo)體行業(yè)不再基于每兩年實現(xiàn)性能翻倍的概念來制定硅芯片研發(fā)計劃，芯片企業(yè)都面臨著芯片研發(fā)速度減緩的問題，無法再像原來那樣大幅度縮小硅晶體管，無力承擔(dān)跟上性能提升步伐所需購買的超復(fù)雜制造工具和工藝成本。硅基芯片的研發(fā)已進入瓶頸期。這也部分打破“投資發(fā)展制程——芯片生產(chǎn)成本降低——用部分利潤繼續(xù)投資發(fā)展制程”的邏輯。也就是說，傳統(tǒng)的硅基電子技術(shù)臨近生命周期極限，摩爾定律正遭遇技術(shù)與成本兩大發(fā)展瓶頸。

3、鉆石時代，也許將是延續(xù)或重塑未來科技輝煌的重要嘗試

為摩爾定律續(xù)命的嘗試，多年來，為解決硅基半導(dǎo)體面臨的瓶頸，業(yè)界從“結(jié)構(gòu)和材料”入手，持續(xù)推動集成電路發(fā)展。碳作為同族元素，被寄予厚望。碳基半導(dǎo)體也被認為是后摩爾時代的顛覆性技術(shù)，是我國在半導(dǎo)體領(lǐng)域突破點之一！相較于石墨烯、碳納米管等碳基半導(dǎo)體，金剛石半導(dǎo)體在高功率下較穩(wěn)定、散熱佳，具有許多優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域。另外，金剛石，作為人造晶體材料，與硅一樣，有機會被制成大塊晶體，這將大大降低制造晶圓難度，減少缺陷。行業(yè)內(nèi)目前已可以研制出3英寸以上的高質(zhì)量金剛石單晶晶圓。同時，金剛石體系又能和硅的半導(dǎo)體工業(yè)體系相兼容，即硅的制造技術(shù)與設(shè)備亦適用于金剛石材料。目前硅的投入已能達到一條生產(chǎn)線產(chǎn)出幾十億塊單晶的產(chǎn)量，若金剛石制備工藝與技術(shù)能夠發(fā)展成熟，就可以充分利用成熟的硅技術(shù)體系來實現(xiàn)大的產(chǎn)量。所以說，金剛石被業(yè)界譽為“終極半導(dǎo)體材料”，那么或許延續(xù)或重塑未來科技輝煌的就是鉆石時代。

四、金剛石“芯”產(chǎn)學(xué)研道路困難重重

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。金剛石“芯”產(chǎn)學(xué)研道路困難重重。雖說，金剛石作為半導(dǎo)體的優(yōu)點很多，但怎么利用起來？用在什么場景？究竟能什么時候落地？我們要認清一個現(xiàn)實，材料本身具備這一特性，不等于就能商業(yè)用起來！

例如，金剛石在實際應(yīng)用于下一代電子產(chǎn)品中，雖然人們已經(jīng)在金剛石高壓開關(guān)二極管的實驗建模和制備、大功率高頻場效應(yīng)管、高溫下工作的器件以及MEMS/NEMS做了大量的努力，但金剛石晶圓的生產(chǎn)存在缺陷，且無法實現(xiàn)大面積晶圓生長。大尺寸金剛石晶圓是電子器件的基礎(chǔ)，2英寸只是起點，晶圓尺寸越大，芯片在較長時間的穩(wěn)性和耐久性以及經(jīng)濟性就會提高很多。近年在金屬銥基底上已經(jīng)可以生長出直徑為4英寸的金剛石薄膜，但是缺陷仍然必須被進一步最小化，缺陷密度需要控制到10⁴/cm²以下，目前硅晶圓的缺陷密度可以控制在每平方公分1萬個缺陷以內(nèi)；同時，均質(zhì)外延生長金剛石的尺寸也在增加。另外，金剛石存在淺層摻雜問題，摻硼的p型金剛石的合成和應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，而且通過離子植入或CVD方法可以很好地控制雜質(zhì)水平和載流子傳輸特性。然而，合成n型金剛石仍有很大的困難，這限制了金剛石半導(dǎo)體材料在電子領(lǐng)域的應(yīng)用，在改進摻雜技術(shù)、提高電子遷移率、降低電阻率方面，值得進一步研究。

另外，半導(dǎo)體晶圓需要一個平坦的面，幾個原子凸起都會極大影響半導(dǎo)體性能。而金剛石在直接生長時，表面并不平滑，需要后續(xù)加工處理，只有將一塊單晶金剛石晶圓片打磨至接近原子級的平滑度，才能取代電子設(shè)備中的一些硅元件。金剛石也是自然界最硬的物質(zhì)，其超精密研磨拋光技術(shù)的發(fā)展十分重要，也是決定金剛石能否做晶圓的關(guān)鍵技術(shù)。除了研發(fā)出高性能的材料以外，封裝、鍵合等周邊技術(shù)也是影響金剛石“造芯”之路的重要因素。

五、鉆石晶圓時代開始，造芯進展如何？

目前，我國部分高校研究走在國際前列，例如北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院寧波材料所、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、香港大學(xué)等。但科研成果離工程化應(yīng)用和實際賺錢還需要很長一段路要走。

目前業(yè)界對金剛石半導(dǎo)體的關(guān)注程度越高，優(yōu)勢資源不斷匯集，也加速了研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速度。這意味著鉆石晶圓時代的開始。

2022年，日本安達滿納米奇精密寶石有限公司（2023年1月1日起，變更為Orbray株式會社）聯(lián)合日本佐賀大學(xué)成功開發(fā)了超高純度2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)方法。雙方也利用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2568V的半導(dǎo)體。

2022年8月，誕生了一家以“實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體實用化”為業(yè)務(wù)目標(biāo)的初創(chuàng)型企業(yè)，即日本早稻田大學(xué)下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標(biāo)是把金剛石半導(dǎo)體行業(yè)的先驅(qū)一一川原田洋教授的研發(fā)成果推向?qū)嵱没?/span>

2023年10月，Diamond Foundry（簡稱DF）的公司，采用異質(zhì)外延法創(chuàng)造出了世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），直徑100毫米、重110克拉。按照DF公司的說法，他們可以實現(xiàn)將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

2023年11月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與華為專利，“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”。這項專利涉及芯片制造技術(shù)領(lǐng)域，主要是實現(xiàn)了以Cu/SiO₂混合鍵合為基礎(chǔ)的硅/金剛石三維異質(zhì)集成。三維集成技術(shù)能實現(xiàn)多芯片、異質(zhì)芯片集成等多層堆疊的三維（3D）集成，但電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰(zhàn)。

……

六、金剛石暫時離芯片很遙遠，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上率先做哪些？

1、熱沉——高功率器件最佳搭檔

散熱性能是金剛石材料與生俱來的，其熱導(dǎo)率和電學(xué)特性優(yōu)勢十分顯著，沒有任何明顯短板，其熱導(dǎo)率可達2000W/m·k，是銅、銀的5倍，又是良好的絕緣體，這也使得金剛石器件擁有更高的功率處理能力，也意味著采用金剛石微波功率器件的電子系統(tǒng)有望擺脫龐大笨重的散熱模塊而實現(xiàn)輕量化、小型化。此外，在熱導(dǎo)率要求1000~2000W/m·k之間，金剛石是首選以及唯一可選熱沉材料。

目前高功率半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。目前人造金剛石熱沉的熱導(dǎo)率最高已經(jīng)達到1800W/m·k以上，遠遠大于氮化鋁和銅的熱導(dǎo)率。將其作為過渡熱沉，將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。

隨著新能源汽車的爆發(fā)，IGBT也獲得了高關(guān)注。作為新能源車的電機驅(qū)動部分最核心的元件，電動汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，為大幅提高IGBT功率密度、散熱性能與長期可靠性，高效的散熱方案尤其重要。

2、封裝——超高熱導(dǎo)半導(dǎo)體封裝基板

電子制造業(yè)作為信息技術(shù)發(fā)展的重要支撐，也已經(jīng)成為各國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，中國也在新時期科技發(fā)展綱要中確定把高端芯片和極大規(guī)模集成電路制造業(yè)列為重大專項。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高，要求具有更高的熱導(dǎo)率、更匹配的熱膨脹系數(shù)以及更好的穩(wěn)定性。目前，各種新型封裝基板材料已成為各大廠競相研發(fā)的熱點，其中金剛石作為新一代基板材料正得到愈來愈多的關(guān)注。目前，業(yè)界將金剛石顆粒中加入Ag、Cu、Al等高導(dǎo)熱金屬基體，制備出金剛石/金屬基復(fù)合材料，并作為電子封裝的基板材料，已初步驗證其性能，既具有低熱膨脹系數(shù)又具有高熱導(dǎo)率，已實現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用。

另外，隨著諸如ChatGPT這類生成式人工智能模型的應(yīng)用熱潮洶涌，算力時代疾馳而至。算力向下扎根于數(shù)據(jù)，向上支撐著算法，是驅(qū)動AI發(fā)展的核心動力，這催生了散熱新需求。高性能芯片的散熱一直是電子產(chǎn)品服役中的突出難題，尤其是在“后摩爾時代”，先進封裝多芯片系統(tǒng)的功率和熱流密度急劇增加，芯片熱點的熱流密度甚至可達到核彈爆炸級別的kW/cm²，這也是限制高性能芯片功耗、算力和集成度的關(guān)鍵。

目前這一方向已經(jīng)突破性進展，例如廈門大學(xué)于大全教授團隊與華為團隊合作開發(fā)了基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuǎn)接板（Interposer）封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。

3、微納加工

第三代半導(dǎo)體材料、器件已實現(xiàn)了從研發(fā)到規(guī)模性量產(chǎn)的成功跨越，并進入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展階段，在新能源汽車、高速軌道交通、5G通信、光伏并網(wǎng)、消費類電子等多個重點領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用突破。第三代半導(dǎo)體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件。其中，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域，氮化鎵器件更適合高頻情況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體碳化硅材料硬度大，在碳化硅晶體切割、晶片研磨、晶片拋光等幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)均需使用金剛石微粉或相關(guān)產(chǎn)品進行加工。

對于消費電子行業(yè)而言，5G和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展需要更加復(fù)雜的材料和精細的加工，金剛石/超硬材料刀具、微粉等制品可為金屬、陶瓷和脆性材料等提供高質(zhì)量的精密表面處理。例如，顯示玻璃基板是手機、電視等電子設(shè)備中顯示面板的重要組成部分，對面板的性能有著直接而顯著的影響。電子玻璃市場隨著電子產(chǎn)品出貨量的快速增長而不斷擴張，隨著行業(yè)技術(shù)迭代升級，對于產(chǎn)品性能和品質(zhì)的要求不斷提高，將為金剛石/超硬材料制品創(chuàng)造廣闊的市場空間。

4、BDD電極

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，各行業(yè)的污水排放量日益增加，污染物成分也越來越復(fù)雜，對人體健康和生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了巨大的破壞。如何處理這些污水，成了全人類共同面對的巨大挑戰(zhàn)。電化學(xué)高級氧化工藝作為一種新型污水處理工藝，由于其具有所需設(shè)備簡單、操作容易、控制方便、適用范圍廣、無需添加化學(xué)試劑等優(yōu)點被視為一種極具應(yīng)用潛力的污水處理工藝。電化學(xué)高級氧化工藝的核心在于陽極材料，其中摻硼金剛石（BDD）電極因其極寬的電化學(xué)窗口、極高的析氧電位、極低的吸附特性和優(yōu)異的抗腐蝕性能，被認為是電化學(xué)降解有機廢水的新型陽極材料，在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來的研究熱點。

5、量子科技應(yīng)用

金剛石因為擁有超高的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性以及優(yōu)異的光學(xué)特性，科學(xué)家常思考把它作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用于光電工程中的可能性，這也助推了金剛石在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。由于金剛石具有超寬的禁帶寬度，使其位于禁帶中深能級缺陷發(fā)光不被吸收而發(fā)射出來，形成一系列缺陷誘導(dǎo)的顏色中心，即所謂的“色心”。特別是，金剛石中與空位相關(guān)的缺陷，如氮空位（NV）或硅空位（SiV）中心。這些色心具有類似“單原子”的分立能級，非常適合用于量子信息處理、量子計算的載體、量子精密測量領(lǐng)域。目前這一方向，我國中科大、南京郵電大學(xué)均有團隊已初步產(chǎn)業(yè)化。

6、金剛石光學(xué)窗口

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的關(guān)鍵元件之一是保護光學(xué)與焦平面陣列的多光譜窗。高熱傳導(dǎo)性是其中成功的重要因素。因為與空氣的劇烈摩擦?xí)?dǎo)致窗口溫度的升高，引起紅外探測器的信噪比降低，最終會使窗口不透光。因此，窗口需要冷卻。已經(jīng)驗證的一種冷卻窗口的方法是外膜冷卻，這種方法要求窗口必須有強大的熱傳導(dǎo)性。所有用于窗口制造的備選材料以金剛石為最佳，主要在于其熱膨脹系數(shù)最小，而熱導(dǎo)率最高的性能。

……

七、對于企業(yè)而言，活著更重要！

目前我國正在向金剛石強國邁進，并逐步進入金剛石多功能發(fā)展的轉(zhuǎn)型時期。這也需要進一步加強研制新型CVD設(shè)備，為大尺寸、高品質(zhì)金剛石晶圓制備和后硅時代電子學(xué)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。金剛石，作為半導(dǎo)體的優(yōu)點真的很多！但只有金剛石產(chǎn)品的價格和品質(zhì)達到一定的平衡點，企業(yè)愿意用這一材料，其功能應(yīng)用嘗試才能快速拓張！怎么用？用在哪？賣給誰？這也需要政府、企業(yè)、科研機構(gòu)共同行動！

當(dāng)然，目前，對于企業(yè)而言，活著更重要！

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