鉆石，顛覆傳統(tǒng)芯片

「鉆石恒永久，一顆永流傳?！惯@一句廣告詞，引起了諸多女人的瘋狂，也讓鉆石成為了昂貴的愛(ài)情代表。

最近，「鉆石」也開(kāi)始走入半導(dǎo)體，華為和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》被公開(kāi)，引起了業(yè)內(nèi)的「瘋狂」。這金剛石，指的就是還未經(jīng)打磨的鉆石原石。

「鉆石」芯片，究竟有何種魅力？

華為的「鉆石」專利

如前文所述，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的一項(xiàng)專利，這項(xiàng)專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)。

來(lái)源：華為與哈爾濱大學(xué)提交《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》專利

硅基半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)不用多說(shuō)，有成熟的工藝及產(chǎn)線、生產(chǎn)效率高并且成本較低。金剛石則是已知天然物質(zhì)中熱導(dǎo)率最高的材料，室溫下金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá) 2000Wm?1K?1，同時(shí)金剛石是寬禁帶半導(dǎo)體，具備擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、載流子遷移率高、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。

在專利書(shū)中提及，本次結(jié)合利用的就是金剛石極高的發(fā)展?jié)摿?，想要為三維集成的硅基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。

受到華為專利的影響，當(dāng)天國(guó)內(nèi) A 股培育鉆石概念板塊猛漲。實(shí)際上，引發(fā)半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)「瘋狂」的「鉆石」芯片在國(guó)際上并非只有華為一家。近年來(lái)，「鉆石」芯片的研發(fā)消息頻頻傳來(lái)。

抓住「鉆石芯片」

國(guó)際上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的工程師創(chuàng)立的企業(yè)在金剛石晶片方面的進(jìn)展。

這家企業(yè)的名字叫做 Diamond Foundry，企業(yè)主要的研究方向也是金剛石方向。從官網(wǎng)上來(lái)看，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(jì)算芯片、電動(dòng)汽車(chē)電力電子器件和無(wú)線通信芯片的熱挑戰(zhàn)。

今年 10 月份 Diamond Foundry 培育出了世界上第一個(gè)單晶金剛石晶片，具體的數(shù)據(jù)上，這個(gè)金剛石晶片直徑 100 毫米、重量 100 克拉。

Diamond Foundry 在接受采訪時(shí)表示，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。

怎么一同使用呢？Diamond Foundry 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。

熱量情況對(duì)比 來(lái)源：Diamond Foundry

按照其首席執(zhí)行官 Martin Roscheisen 的說(shuō)法，這可以使得芯片的運(yùn)行速度至少是額定速度的兩倍，并且 Diamond Foundry 工程師在英偉達(dá)最強(qiáng)大的芯片之一上使用這種方法，在實(shí)驗(yàn)條件下甚至能夠?qū)⑵漕~定的速度增加到三倍。

同時(shí)，Diamond Foundry 公司的官方計(jì)劃中還表示，希望能夠在 2023 年后，引入單金剛石晶片，并在每個(gè)芯片后面放置一顆金剛石；在 2033 年前后，將金剛石引入半導(dǎo)體。

美國(guó)不止這一家企業(yè)在推動(dòng)「鉆石」芯片的產(chǎn)業(yè)化。美國(guó)的 AKHAN、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，日本的 NTT、NIMS 等，都投身于此。其中，AKHAN 公司專門(mén)從事實(shí)驗(yàn)室制造合成電子級(jí)金剛石材料，在 2021 年時(shí)，他們宣布能夠制造 300mm 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 金剛石晶圓。

稍早一些消息的還來(lái)自日本，依據(jù)已經(jīng)宣布的研究成果來(lái)看，日本對(duì)于金剛石芯片的產(chǎn)業(yè)化探索更加全面。

從去年開(kāi)始，日本生成了可用于量子計(jì)算項(xiàng)目純度的金剛石晶圓；再到今年年初，日本校企合作，研發(fā)了一個(gè)金剛石制成的功率半導(dǎo)體；到今年 8 月，日本千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出關(guān)于「毫不費(fèi)力地切割」金剛石的方法。從種種動(dòng)向來(lái)看，日本對(duì)于金剛石芯片的研究也是比較重視的。

我們分別來(lái)看看日本這三個(gè)關(guān)于「鉆石」芯片的研究。

直徑 55mm 超高純金剛石晶片和 4mm×4mm 晶體對(duì)比

去年 4 月，日本 Adamant Namiki Precision Jewel 和佐賀大學(xué)聯(lián)合宣布，已經(jīng)于 4 月 19 日成功實(shí)現(xiàn)「鉆石」晶圓量產(chǎn)，這種「鉆石」晶圓的純度是可以用在量子計(jì)算機(jī)、量子存儲(chǔ)器和量子傳感設(shè)備中。

這里日本解決的是如何實(shí)現(xiàn)少氮含量，更大尺寸金剛石的生成。在此之前，能夠達(dá)到量子應(yīng)用的超高純度金剛石是只有 4mm×4mm 的晶體，而這次日本生成了直徑 2 英寸（大概 55mm）的晶體。

實(shí)際上，從生成的方式來(lái)看，之前市場(chǎng)往往利用氮?dú)膺m合大規(guī)模生產(chǎn)的高生長(zhǎng)速率，但這也會(huì)留下幾 ppm（百萬(wàn)分之一）的氮雜質(zhì)。通過(guò)技術(shù)方式的改進(jìn)，目前可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)氮含量不超過(guò) 3 ppb 的超高純度 2 英寸金剛石。

Adamant Namiki 表示：「理論上，一塊 2 英寸的金剛石晶圓可以提供足夠的量子存儲(chǔ)器來(lái)記錄 10 億張藍(lán)光光盤(pán)，這相當(dāng)于一天內(nèi)分布在全球的所有移動(dòng)數(shù)據(jù)?！?/span>

2022 年宣布這個(gè)消息時(shí)，Adamant Namiki Precision Jewelry 還表示計(jì)劃 2023 年將 Kenzan 鉆石晶片商業(yè)化，并且公司已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā) 4 英寸鉆石晶片。不過(guò)，到了現(xiàn)在（2023 年年底）該公司的 4 英寸鉆石晶片，還沒(méi)有傳來(lái)新的消息。

年初，同樣是日本，佐賀大學(xué)的教授和日本精密零部件制造商 Orbray，合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)金剛石制成的功率半導(dǎo)體。這個(gè)功率半導(dǎo)體可以以 1 平方厘米 875 兆瓦的電力運(yùn)行，在金剛石半導(dǎo)體中，輸出功率值為全球最高，在所有半導(dǎo)體中也僅次于氮化鎵產(chǎn)品。

這個(gè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要利用金剛石的高耐壓性。采用向金剛石基板吹送二氧化氮?dú)怏w的方式，使得金剛石基板具備半導(dǎo)體的性質(zhì)。再通過(guò)用氧化鋁膜進(jìn)行保護(hù)，特殊的研磨方法將基板表面磨平，設(shè)法降低了電阻，最終實(shí)現(xiàn)了高性能半導(dǎo)體器件。

今年 8 月，日本的千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新的激光技術(shù)可以沿著最佳晶體平面「毫不費(fèi)力地切割」鉆石。

千葉大學(xué)的 Hirofumi Hidai 教授和他的團(tuán)隊(duì)提出了解決該問(wèn)題的方案：基于激光的切割工藝，可以干凈地切割鉆石而不破壞鉆石。研究人員表示，新技術(shù)通過(guò)將短激光脈沖聚焦到材料內(nèi)狹窄的錐形體積上，防止激光切割過(guò)程中不良裂紋的傳播。

千葉大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)切割方式

激光脈沖將金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏容^低的無(wú)定形碳，用激光照射的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)密度降低和裂紋形成的情況。據(jù)介紹，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)格狀圖案來(lái)引導(dǎo)裂紋沿著指定的切割路徑傳播，同時(shí)使用鋒利的鎢針「輕松」地將光滑的晶片與金剛石塊的其余部分分開(kāi)。

千葉大學(xué)表示，這項(xiàng)新提出的技術(shù)可能是將鉆石轉(zhuǎn)變?yōu)椤高m合未來(lái)更高效技術(shù)的半導(dǎo)體材料」的關(guān)鍵一步。Hidai 教授表示，用激光切割鉆石「能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓」，并且對(duì)于制造鉆石半導(dǎo)體器件是必不可少的。

「鉆石芯片」恒永久，如何永流傳？

談了這么多國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究情況，我們已經(jīng)可以大概了解金剛石特點(diǎn)，以及為什么會(huì)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域了。其實(shí)主要利用金剛石的三大屬性。

第一，高熱導(dǎo)率。金剛石是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，比碳化硅（SiC）大 4 倍，比硅（Si）大 13 倍，比砷化鎵（GaAs）大 43 倍，是銅和銀的 4~5 倍。這就能解決目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遇到的一個(gè)問(wèn)題——散熱。

目前，對(duì)于芯片性能的限制有一方面實(shí)際上是溫度，對(duì)于大部分硅制的芯片來(lái)說(shuō)，一旦運(yùn)行溫度超過(guò) 105 攝氏度，那么芯片就會(huì)變得不可靠。在很多日常生活中都能夠感受到芯片的發(fā)熱，一臺(tái)使用很久的筆記本，放在腿上會(huì)發(fā)現(xiàn)底板在發(fā)燙、風(fēng)扇在瘋狂旋轉(zhuǎn)而筆記本的運(yùn)行速度下降。

這些熱量從哪里來(lái)，可以拿 CPU 舉例。一個(gè) CPU 是由數(shù)億個(gè)晶體管組成的，電流通過(guò)連接 CPU 中的微原件會(huì)產(chǎn)生熱量，這被稱為「焦耳熱」，之后電流通過(guò) PN 結(jié)的時(shí)候釋放熱量。這個(gè)熱量通常和頻率成正比，和電流的平方程成正比。因此，電腦的運(yùn)算越快，處理器的工作量越大，那么產(chǎn)生的熱量就越多。

麻省理工學(xué)院納米工程實(shí)驗(yàn)室主任 Gang Chen 給出了具體數(shù)據(jù)：「當(dāng)今，高性能芯片的功耗約為每平方厘米 100 瓦，這些因?yàn)樾酒\(yùn)行所產(chǎn)生的能量最終都轉(zhuǎn)化為了熱量，并且熱量必須散發(fā)出去?！?/span>

上文提到的華為金剛石專利，在專利申請(qǐng)中華為也解釋到：「隨著集成密度不斷升高以及特征尺寸不斷縮小，電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰(zhàn)。芯片內(nèi)部熱積累難以向封裝表層散熱片傳遞，導(dǎo)致內(nèi)部節(jié)溫突升，嚴(yán)重威脅芯片性能、穩(wěn)定性和使用壽命。」華為專利主要就是利用金剛石的高散熱性。

第二，5.5eV 的禁帶寬度。金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度是 Si 的 5 倍；載流子遷移率也是 Si 材料的 3 倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高 2 倍以上。

優(yōu)秀的禁帶寬度也使得金剛石擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)。甚至被稱為「終極半導(dǎo)體」。前文中，日本開(kāi)發(fā)的金剛石功率半導(dǎo)體利用的就是這一特性。

同時(shí)，需要注意，在 2022 年，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱出于國(guó)家安全考慮，將四項(xiàng)「新興和基礎(chǔ)技術(shù)」納入新的出口管制，其中之一就是能承受高溫高電壓的第四代半導(dǎo)體材料金剛石。

第三，金剛石的特殊的能量結(jié)構(gòu)。這個(gè)特性主要是關(guān)于金剛石用在量子存儲(chǔ)中。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，金剛石量子存儲(chǔ)器能將光子轉(zhuǎn)換成金剛石中碳原子的特定振動(dòng)，適用于許多不同顏色光的這種轉(zhuǎn)換，將允許對(duì)光進(jìn)行廣譜操縱。金剛石的能量結(jié)構(gòu)允許其以很低的噪聲在室溫下實(shí)現(xiàn)。從理論上來(lái)說(shuō)，金剛石半導(dǎo)體在室溫下工作，性能最高。前文提到日本 Adamant Namiki Precision Jewel 和佐賀大學(xué)研發(fā)出的可以用于量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的金剛石晶圓，主要希望利用這一特性。

總而言之，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(guò)性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等。未來(lái)，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)金剛石的更深入研究，金剛石可能會(huì)成為制造高效、穩(wěn)定、耐用的芯片的關(guān)鍵材料。

這時(shí)候，金剛石就將真正成為讓半導(dǎo)體業(yè)界「瘋狂的石頭」。