金剛石，被稱作自然界中最硬的物質(zhì)。在經(jīng)過打磨后，這種 " 普通 " 的碳晶體就化身為寶石級的鉆石，身價隨之倍增。

       而除了裝飾外，很少有人知道金剛石其實也能用于半導(dǎo)體行業(yè)，在加工后變身為價格昂貴的 " 高端芯片 "。

       在材料類期刊 Small近期發(fā)布的一篇文章里，提到了大阪公立大學(xué)研究小組利用金剛石為襯底，制作出了氮化鎵（GaN）晶體管。而該晶體管的散熱能力，要比傳統(tǒng)晶體管提高了 2 倍以上。

       這篇文章表示，這種由晶體管不僅可以用于 5G 通信基站、氣象雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，還可以用于微波加熱、等離子體處理等領(lǐng)域。

       但筆者在查閱相關(guān)信息后發(fā)現(xiàn)，早在二十年前，科學(xué)界就曾掀起研究金剛石半導(dǎo)體的熱潮。

       包括剛剛過去的 2023 年，有不少企業(yè)和研究機構(gòu)推出類似的技術(shù)，這其實就包括華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)共同合作的金剛石芯片專利。

       但時至今日，鉆石芯片仍未掀起多大的水花。

       用鉆石造芯片，究竟有何魅力？

       想制作電子元器件，就需要半導(dǎo)體材料。

       雖然可以用作半導(dǎo)體的材料種類繁多，但在歷經(jīng)數(shù)次材料革命后，真正做到成本與性能同時兼顧的，只有硅元素——在此基石上目前最常見的硅基半導(dǎo)體。

       不過隨著工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，想要繼續(xù)推進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，就需要用特性更好的材料接續(xù)。

       近些年出鏡率頗高的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），屬于第三代半導(dǎo)體材料。再往后，氧化鎵、氮化鋁等第四代半導(dǎo)體材料，他們對比硅材料都有各自獨特的優(yōu)勢。

圖源 |   果殼硬科技

       除此以外，我們還能在看到石墨烯、碳納米管等材料被用于生產(chǎn)晶體管。

       既然它們都屬于碳的同素異形體，那么同樣是碳元素單質(zhì)同素異構(gòu)體之一的金剛石，理應(yīng)可以用作生產(chǎn)半導(dǎo)體。

       從物理化學(xué)特性來看，金剛石確實如此。

       該材料不僅硬度最高，而具有最高的熱導(dǎo)率、透過光譜最寬、耐磨抗輻射抗腐蝕等優(yōu)秀特性。

       金剛石強在哪里？

       先說金剛石的高熱導(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。對于大部分硅制的芯片來說，一旦溫度過高，那么芯片就會變得不可靠。

       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)體器件運行時產(chǎn)生的熱量。

圖 |   熱量情況對比

       在華為的金剛石專利里，提到了利用金剛石極高的發(fā)展?jié)摿?，為三維集成的硅基器件（硅基與金剛石襯底）提供散熱通道

       除了出色的散熱性能以外，金剛石擁有高達(dá) 5.5eV 的禁帶寬度，更適合應(yīng)用于高溫、高輻射、高電壓等極端環(huán)境。

       在 2023 年初，日本佐賀大學(xué)與日本精密零部件公司 Orbray 共同合作開發(fā)了一個金剛石制成的功率半導(dǎo)體。

       他們在藍(lán)寶石襯底上生長金剛石晶片，制成 2 英寸的單晶圓，以此制成的功率半導(dǎo)體能以每平方厘米 875 兆瓦的功率運行，輸出功率值為全球最高，且電力損耗可減少到硅基半導(dǎo)體的五萬分之一。

圖 |   Namiki 于 2022 年 4 月制作的 2 英寸晶圓

       除了日本公司以外，美國公司也在積極推動鉆石芯片的產(chǎn)業(yè)化。目前比較出名的一家美國公司名叫Diamond Foundry，他們是全球 " 人造鉆石 " 領(lǐng)域的明星企業(yè)。

       在 Diamond Foundry 官方計劃里，他們開發(fā)出一套技術(shù)，可以將硅芯片與金剛石半導(dǎo)體襯底結(jié)合，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

       這項技術(shù)與上文提到的華為專利非常類似，不過 Diamond Foundry 的動作更加迅速，目前已經(jīng)在云計算和 AI 計算等芯片上進(jìn)行嘗試，可以讓數(shù)據(jù)中心芯片使用一半的空間即可實現(xiàn)相同的性能。

       讓金剛石變成芯片，比想像地難得多

       隨著近些年投入 " 人造鉆石 " 的企業(yè)越來越多，人工培育鉆石已經(jīng)在電信、光學(xué)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。

       在這么多有利條件下，行業(yè)仍然沒有拿得出手的芯片產(chǎn)品，那么問題到底出現(xiàn)在哪里？

       原因很多，但歸根究底還是供給問題——純度高的天然金剛石供不應(yīng)求，而人造金剛石又會因為工藝問題，并不適合制造半導(dǎo)體。

       前面提到，金剛石芯片的長期的方向是作為 " 高端芯片 " 的突破口，而不是普通芯片的替代，這就要求晶圓更大。

       以目前人造金剛石企業(yè)的技術(shù)水平，顯然是造不出大尺寸晶圓，更不要說達(dá)到商業(yè)化的要求。

       以 Diamond Foundry 為例，該公司目前生產(chǎn)的晶圓尺寸大約為 4 英寸長寬、小于 3 毫米厚度。日本企業(yè)的晶圓尺寸更小，只有大約 2 英寸。

       尺寸小是一方面，想要造出一顆能用的芯片，還得考慮如何提高金剛石的生長反應(yīng)速度、有效切割這種堅硬的材料，并對晶圓的表面進(jìn)行處理。

       直到最后一步，才是將金剛石晶圓與半導(dǎo)體芯片結(jié)合，這中間有太多的步驟等待突破了。

       因此，雖然我們能看到非常多的專利與研究，但金剛石芯片離半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還有很長的道路要走，不僅僅需要降成本、擴大規(guī)模，尺寸和金剛石純度都需要考慮到位。

       如果只是讓金剛石企業(yè)獨自來做這件事，那確實很有難度。