當(dāng)今時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)正處于一個(gè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，以硅為主導(dǎo)的半導(dǎo)體領(lǐng)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(dǎo)體順勢而起，以GaN和SiC為代表的新材料的發(fā)展推動(dòng)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(jìn)，但散熱、能效等關(guān)鍵特性依舊是業(yè)界矢志不渝的追求方向。

       在追求極致性能與效率的時(shí)代，一場由金剛石引領(lǐng)的芯片革命正悄然興起。

       金剛石，指的就是還未經(jīng)打磨的鉆石原石。那么，作為一種闖入了大家視線中的新半導(dǎo)體材料，“鉆石”芯片究竟有何魅力？無限可能背后，進(jìn)展與挑戰(zhàn)并存。

       “鉆石”芯片，魅力何在？

       被譽(yù)為“自然界最堅(jiān)硬物質(zhì)”的金剛石，不僅硬度驚人，還擁有卓越的導(dǎo)熱性能、極高的電子遷移率，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)，以及其他優(yōu)異的物理特性。

       具體來看，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶(5.45eV)、高擊穿場強(qiáng)(10MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率(2000W/m·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。

       此外，金剛石擁有優(yōu)異的物理特性，在光學(xué)領(lǐng)域具有良好透光性和折射率，適用于光電器件的研發(fā)；電學(xué)方面，其絕緣性能和介電常數(shù)使其在復(fù)雜電路中發(fā)揮穩(wěn)定作用；機(jī)械性能方面，高強(qiáng)度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。

       這些特性使得金剛石在芯片制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，常被用于高功率密度、高頻率電子器件的散熱。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)體被認(rèn)為是極具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

       通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)半導(dǎo)體的熱管理需求，而且這些設(shè)備的能源效率更高，并且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環(huán)境。

       例如，在電動(dòng)汽車中，基于金剛石的功率電子器件可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換、延長電池壽命以及縮短充電時(shí)間；在電信領(lǐng)域，尤其是在5G及更高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)的部署中，對高頻和高功率器件的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統(tǒng)，包括射頻開關(guān)、放大器和發(fā)射器；消費(fèi)電子領(lǐng)域，單晶金剛石基板可以推動(dòng)更小、更快、更高效的智能手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備組件的開發(fā)，從而帶來新的產(chǎn)品創(chuàng)新并提高消費(fèi)電子市場的整體性能。

       據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Virtuemarket數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場價(jià)值為1.51億美元，預(yù)計(jì)到2030年底市場規(guī)模將達(dá)到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測復(fù)合年增長率為12.3%。特性優(yōu)勢和廣闊前景驅(qū)動(dòng)下，金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上的多個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力和價(jià)值。從熱沉、封裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應(yīng)用，金剛石正逐步滲透到半導(dǎo)體行業(yè)的各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

       產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加速推進(jìn)

       全球范圍內(nèi)，對金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作正在如火如荼地進(jìn)行。從Element Six贏得UWBGS項(xiàng)目，到華為積極布局金剛石半導(dǎo)體技術(shù)；從Diamond Foundry培育出全球首個(gè)單晶金剛石晶圓，到Advent Diamond在金剛石摻磷技術(shù)上的突破；再到法國Diamfab計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)4英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)，以及日本、美國、韓國等國家的全面發(fā)力，金剛石半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正以前所未有的速度向前推進(jìn)。

       這些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的努力，不僅推動(dòng)了金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟，還促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的完善。從原材料供應(yīng)、晶圓制備、器件設(shè)計(jì)到封裝測試，金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步形成，為未來的大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

       從種種動(dòng)向來看，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(shí)代的開始。

       總之，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)透過性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等。目前業(yè)界正在向金剛石進(jìn)一步邁進(jìn)，并逐步進(jìn)入金剛石多功能發(fā)展的轉(zhuǎn)型時(shí)期。

       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(shù)的逐步開發(fā)，有望使大規(guī)模集成電路和高速集成電路的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

       寫在最后

       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，但時(shí)至今日，也未能大規(guī)模用上金剛石半導(dǎo)體所制造的器件。有工程師為此感嘆，金剛石或許將永遠(yuǎn)處在半導(dǎo)體實(shí)用化的邊緣。

       誠然，金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，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。我們相信，在各方的共同推動(dòng)下，具備各種優(yōu)異特性的金剛石材料在未來將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，幫助半導(dǎo)體材料領(lǐng)域邁出至關(guān)重要的一步。

       當(dāng)然，新材料最終作用并非將以硅為代表的傳統(tǒng)材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補(bǔ)，在其擅長的領(lǐng)域充分發(fā)揮作用。