中國粉體網訊 當今時代，半導體行業正處于一個轉型的關鍵時期，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，其產業化的進程是否已經臨近？事實上，在新一代半導體材料領域，各國也都在紛紛發力。
Element Six贏得UWBGS項目
在人造金剛石先進材料的設計、開發和生產的全球領導者-Element Six（元素六），正主導美國一個關鍵項目-開發使用單晶（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，旨在開發下一代面向國防和商業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與多個半導體行業的關鍵參與者建立了戰略合作伙伴關系，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知識集成在一起，對于推動超寬帶隙半導體技術的發展至關重要。
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立的企業-Diamond Foundry，在金剛石芯片方面也取得了進展。據了解，這家企業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。
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生的熱量。
Diamond Foundry開發了一套技術，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
日本全面發力金剛石芯片產業
對于金剛石半導體寄予厚望的還有日本。
《日本經濟新聞》網站稱，日本初創企業OOKUMA公司計劃將被稱為“終極半導體”的金剛石半導體推向實用化，最早將在2026年度投產。OOKUMA公司發現，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境下也能正常工作，公司生產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。為力爭應用于衛星通信，該公司與三菱電機等啟動了聯合研究，與日本廠商共同推進純電動汽車器件的開發。
Orbray株式會社也在積極推進金剛石材質的晶圓業務。“Orbray”研發了一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長金剛石晶圓的生產方法，如今已經成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標是未來生產出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用于量子計算機的超高純度晶圓，并以實現商用為目標。
“Orbray”研發的2英寸金剛石晶圓
2022年5月，日本佐賀大學的嘉數誠教授與Orbray公司聯手利用2英寸晶圓，研發出了輸出功率為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企業Mirise Technologies簽訂協議，共同研發鉆金剛石功率半導體。
2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達成戰略合作，共同生產“全球品質最高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現其對工業重視及布局領先性。
法國公司Diamfab：2025年實現4英寸金剛石晶圓
此外，位于法國的半導體金剛石初創公司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業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線，對其技術進行工業化前處理，加速其發展，從而滿足對金剛石半導體日益增長的需求。
Diamfab已經申請了金剛石電容器的專利，并在與該領域的領先企業合作。Diamfab首席執行官Gauthier Chicot說道：“在其他參數中，我們已經實現了我們的目標：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，并且已經優于SiC等現有材料為電力電子設備提供的參數。此外，我們有一個明確的路線圖，到2025年實現4英寸晶圓，作為大規模生產的關鍵推動因素。”
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下實現鉆石合成，該制備方法有望為金剛石薄膜的生產開創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千個金剛石晶體組成的微型金剛石薄膜。
結語
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活力與應用潛力。未來，隨著大尺寸、高質量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發，有望使半導體行業進入一個新時代。
參考來源：
1.環球時報：下一代芯片用什么半導體材料
2.中國地質大學北京鄭州研究院，半導體行業觀察
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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