鉆石功率半導(dǎo)體由合成鉆石制成，由于熱導(dǎo)性和其他特性，被稱(chēng)為 “*半導(dǎo)體材料”。其性能比現(xiàn)有材料超出一個(gè)量級(jí)，隨著日本研究有所進(jìn)展，正逐漸接近商業(yè)化的可行性。

"鉆石"?芯片，魅力何在？

“鉆石” 又為金剛石，特別適合用于功率半導(dǎo)體，因其電氣強(qiáng)度約是硅的 33 倍。金剛石功率半導(dǎo)體可在約五倍熱的環(huán)境中運(yùn)行，電力損耗可減少到硅制產(chǎn)品的五萬(wàn)分之一。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）同樣也是備受關(guān)注的下一代半導(dǎo)體基板，但金剛石性能遠(yuǎn)高于兩者。以巴利加系數(shù)（Baliga figure of merit，BFOM）來(lái)看，金剛石的性能是碳化硅的 80 倍以上，是氮化鎵的 10 倍以上。金剛石半導(dǎo)體有望用于需要大量穩(wěn)定電源的應(yīng)用，包括電動(dòng)車(chē)、飛天車(chē)和發(fā)電站；其耐高溫和抗輻射特性也有望用于核能和太空等領(lǐng)域。然而，金剛石做為半導(dǎo)體材料也面臨諸多困難，如硬度關(guān)系，很難按電子設(shè)備所需的精度進(jìn)行研磨和加工，再來(lái)長(zhǎng)時(shí)間用于半導(dǎo)體也可能變質(zhì)，成本也影響商業(yè)化進(jìn)程。但經(jīng)過(guò)去幾年的長(zhǎng)足進(jìn)步，金剛石半導(dǎo)體預(yù)計(jì)將在 2030 年間進(jìn)入商業(yè)化階段。而日本在該領(lǐng)域的研發(fā)方面處于*地位。

日本全面發(fā)力金剛石芯片產(chǎn)業(yè)

根據(jù)已有的研究成果來(lái)看，日本對(duì)于金剛石芯片的產(chǎn)業(yè)化探索較全面。2021 年 9 月，日本東京精密組件制造商 Orbray 與日本佐賀大學(xué)合作，成功開(kāi)發(fā)了超高純度的 2 英寸金剛石晶圓。在次年 5 月，雙方又合作利用 2 英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為 875MW/cm2（為全球*高）、高壓達(dá) 2568V 的半導(dǎo)體。2023 年 5 月，Orbray 宣布，與豐田旗下車(chē)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。2023 年 4 月，日本佐賀大學(xué)開(kāi)發(fā)了世界上*個(gè)使用金剛石半導(dǎo)體器件的功率電路。同年，12 月，該大學(xué)的教授嘉數(shù)誠(chéng)表示，將目前作為控制電力的功率半導(dǎo)體推進(jìn)研究的 “金剛石半導(dǎo)體”，應(yīng)用于太空通信的微波傳輸半導(dǎo)體。

2023 年 12 月，日本初創(chuàng)公司 Power Diamond Systems 開(kāi)發(fā)一種鉆石組件，可處理世界*的 6.8 安培電流，計(jì)劃幾年內(nèi)開(kāi)始出貨樣品；新創(chuàng) Ookuma Diamond Device 在福島縣建廠(chǎng)，將量產(chǎn)鉆石半導(dǎo)體，目標(biāo) 2026 年開(kāi)始營(yíng)運(yùn)。研究制造精密設(shè)備的 JTEC Corporation，擁有電漿拋光高硬度材料表面的獨(dú)特技術(shù)。該公司已成功拋光世界*尺寸的單晶鉆石基礎(chǔ)材料，獲得加工鉆石材料的開(kāi)發(fā)設(shè)備訂單。

“鉆石” 芯片產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)展不斷

除了日本，歐美及國(guó)內(nèi)也積極投入在金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)。

歐美國(guó)家

在人造金剛石先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)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(guó)一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目－開(kāi)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(guó)國(guó)防*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(kāi)發(fā)下一代面向國(guó)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。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，包括在2024年6月，與日本東京精密組件制造商 Orbray達(dá)成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn) “全球品質(zhì)*高的單晶金剛石晶圓”。

在人造金剛石先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)處于全球領(lǐng)導(dǎo)地位的 Element Six 公司，正主導(dǎo)美國(guó)一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目－開(kāi)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(guó)國(guó)防*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(kāi)發(fā)下一代面向國(guó)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。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，包括在 2024 年 6 月，與日本 Orbray 達(dá)成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn) “全球品質(zhì)*高的單晶金剛石晶圓”。

2023 年 10 月，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。該公司培育出了世界上*個(gè)單晶金剛石晶片，其直徑為 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(zhǎng)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 還開(kāi)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。據(jù) Diamond Foundry 透露，希望在 2033 年前后，將金剛石引入半導(dǎo)體。

擁有在*基底上生長(zhǎng)單晶摻磷金剛石能力的美國(guó)初創(chuàng)公司 Advent Diamond，于今年 4 月表示解決了關(guān)鍵技術(shù)難題，成功通過(guò)制造摻雜磷的單晶金剛石來(lái)創(chuàng)建n型半導(dǎo)體。此外，該公司也正在研發(fā)基于鉆石的輻射探測(cè)器，為國(guó)防、商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化。

中國(guó)

2023 年 11 月，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《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》，該專(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)。今年 3 月，華為又與廈門(mén)大學(xué)與合作開(kāi)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)接板封裝芯片的背面，并采用熱測(cè)試芯片（TTV）研究其散熱特性。

*后

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，金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域雖具有顯著優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術(shù)工藝不成熟以及應(yīng)用范圍有限等問(wèn)題。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。

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，金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域雖具有顯著優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術(shù)工藝不成熟以及應(yīng)用范圍有限等問(wèn)題。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。