中國粉體網(wǎng)訊 當今時代，半導體行業(yè)正處于一個轉(zhuǎn)型的關鍵時期,，以硅為主導的半導體領域面臨著高功率密度、高頻、高溫,、高輻射等條件瓶頸；第三代半導體順勢而起,，以GaN和SiC為代表的新材料的發(fā)展推動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,，但散熱,、能效等關鍵特性依舊是業(yè)界矢志不渝的追求方向。
金剛石作為一種超寬禁帶半導體材料,，其產(chǎn)業(yè)化的進程是否已經(jīng)臨近,？事實上，在新一代半導體材料領域,，各國也都在紛紛發(fā)力,。
Element Six贏得UWBGS項目
在人造金剛石先進材料的設計、開發(fā)和生產(chǎn)的全球領導者-Element Six（元素六），正主導美國一個關鍵項目-開發(fā)使用單晶（SC）金剛石襯底的超寬帶高功率半導體,。該項目是由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主導的超寬帶隙半導體（UWBGS）計劃的一部分,，旨在開發(fā)下一代面向國防和商業(yè)應用的先進半導體技術，突破半導體的性能和效率極限,。
圖源：eeNews
為此,，Element Six與多個半導體行業(yè)的關鍵參與者建立了戰(zhàn)略合作伙伴關系，包括法國的Hiqute Diamond,、日本Orbray,、雷神公司，以及美國的斯坦福大學和普林斯頓大學,。這些合作將晶體位錯工程,、射頻氮化鎵技術以及材料表面和體積處理的專業(yè)知識集成在一起，對于推動超寬帶隙半導體技術的發(fā)展至關重要,。
Diamond Foundry,，培育全球首個單晶金剛石晶圓
一家由麻省理工、斯坦福大學,、普林斯頓大學的工程師創(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、云計算芯片,、電動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，快速傳導并釋放芯片所產(chǎn)生的熱量,。
Diamond Foundry開發(fā)了一套技術,，為每個芯片植入鉆石。以原子的方式直接連接金剛石,，將半導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。
熱量情況對比 圖源：Diamond Foundry
日本全面發(fā)力金剛石芯片產(chǎn)業(yè)
對于金剛石半導體寄予厚望的還有日本,。
《日本經(jīng)濟新聞》網(wǎng)站稱，日本初創(chuàng)企業(yè)OOKUMA公司計劃將被稱為“終極半導體”的金剛石半導體推向?qū)嵱没钤鐚⒃?026年度投產(chǎn),。OOKUMA公司發(fā)現(xiàn),，金剛石半導體器件在450攝氏度的高溫和輻射強度極高的惡劣環(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,。為力爭應用于衛(wèi)星通信,，該公司與三菱電機等啟動了聯(lián)合研究，與日本廠商共同推進純電動汽車器件的開發(fā),。
Orbray株式會社也在積極推進金剛石材質(zhì)的晶圓業(yè)務,。“Orbray”研發(fā)了一種以藍寶石（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。目標是未來生產(chǎn)出4英寸,、6英寸的晶圓,。此外，除了半導體應用方向外,，“Orbray”還在利用其它生長方法研發(fā)用于量子計算機的超高純度晶圓,，并以實現(xiàn)商用為目標。
“Orbray”研發(fā)的2英寸金剛石晶圓
2022年5月,，日本佐賀大學的嘉數(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2568V的半導體,。
2023年5月,，Orbray宣布與豐田旗下車載半導體研發(fā)企業(yè)Mirise Technologies簽訂協(xié)議，共同研發(fā)鉆金剛石功率半導體,。
2024年6月,，Orbray與Element SiX（元素六）達成戰(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)其對工業(yè)重視及布局領先性,。
法國公司Diamfab：2025年實現(xiàn)4英寸金剛石晶圓
此外，位于法國的半導體金剛石初創(chuàng)公司Diamfab也在為了金剛石芯片的技術而不斷努力,。
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域開發(fā)出了突破性技術,，并擁有四項專利，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計,。
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 能夠建立一條試驗生產(chǎn)線,，對其技術進行工業(yè)化前處理,，加速其發(fā)展，從而滿足對金剛石半導體日益增長的需求,。
Diamfab已經(jīng)申請了金剛石電容器的專利,，并在與該領域的領先企業(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)實現(xiàn)了我們的目標：超過1000A/cm2的高電流密度和大于7.7MV/cm 的擊穿電場,。這些是未來設備性能的關鍵參數(shù)，并且已經(jīng)優(yōu)于SiC等現(xiàn)有材料為電力電子設備提供的參數(shù),。此外,，我們有一個明確的路線圖，到2025年實現(xiàn)4英寸晶圓,，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關鍵推動因素,。”
韓國團隊：降低金剛石薄膜成本
今年4月，韓國基礎科學研究所的材料科學團隊在《自然》雜志刊文,，宣布成功在標準大氣壓和1025°C下實現(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。
該研究團隊負責人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對含鎵液金從含碳氣體中“脫碳”進而生成金剛石路線的研究,。目前Ruoff團隊已成功制備由數(shù)千個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，科學界就曾掀起研究金剛石半導體的熱潮,，但時至今日,，也未能大規(guī)模用上金剛石半導體所制造的器件。
盡管這一材料還有不少路要走,，但已在半導體鏈中展現(xiàn)活力與應用潛力,。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的逐步開發(fā)，有望使半導體行業(yè)進入一個新時代,。
參考來源：
1.環(huán)球時報：下一代芯片用什么半導體材料
2.中國地質(zhì)大學北京鄭州研究院,，半導體行業(yè)觀察
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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