加速裸钻芯片

当代社会，半导体行业正处于转型的关键时期，以硅为主导的半导体领域面临着高功率密度、高频、高温、高辐射等条件瓶颈。第三代半导体顺势而为。以GaN和SiC为代表的新材料的发展促进了功率设备向大功率、微型化、一体化和多功能方向的不断发展，但热排放、能效等关键特性仍然是行业坚定不移的追求方向。

一场由金刚石推动的芯片革命在追求极致性能和效率的时代悄然兴起。

钻石是指未抛光的钻石原石。那么，“裸钻”芯片作为一种新的半导体材料，在大家的视野中有什么魅力呢？无限可能的背后，进步与挑战并存。

“裸钻”芯片，魅力何在？

金刚石，被称为“自然界最硬的物质”，不仅硬度惊人，而且导热性能优异，电子迁移率极高，具有许多优异的性能参数，如耐高压、大射频、低成本、耐高温等优异的物理特性。

具体而言，金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV)、高强度击穿场(10MV//cm)、高载流子饱和漂移率，高热导率(2000W//m·k)等材料特性，以及优良的器件质量因子(Johnson、Keyes、Baliga)，选用金刚石衬底可开发高温、高频、高功率、抗辐射电子设备，克服“自热效应”、“雪崩击穿”等技术瓶颈。

此外，金刚石具有优异的物理特性，在光学领域具有较强的透光率和折射率，适用于光电设备的研发；在电气方面，其绝缘性和介电常数在复杂电路中起着稳定的作用；在机械性能方面，高韧性和耐磨性保证芯片能够承受极端的工作条件。

这些特性促使金刚石在芯片制造领域表现出巨大的潜力，常用于高功率密度和高频电子设备的散热。微波/毫米波集成电路、检测和传感在5G/6G通信中发挥着重要作用。金刚石半导体被认为是一种前景广阔的新型半导体材料，被业界称为“终极半导体材料”。

采用金刚石电子设备，不仅可以减少传统半导体的热业务需求，而且这些设备的能源更加高效，而且可以承受更高的突破强度和恶劣的环境。

例如，在电动汽车中，基于金刚石功率的电子设备可以实现更有效的功率转换，延长电池寿命，缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G和更高级别网络的部署中，对高频和高功率设备的需求日益增加。单晶金刚石基板为下一代通信系统提供必要的热管理和频率性能，包括射频开关、放大器和发射器；在消费电子领域，单晶金刚石基板可以开发更小、更快、更有效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件，从而带来新的产品创新，提高消费电子市场的整体性能。

根据市场调查机构Virtuemarket的数据，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。预计2024-2030年复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本、韩国等国家对电子和半导体产业日益增长的需求推动下，亚太地区有望引领金刚石半导体衬底市场，预计到2023年将占全球收入份额的40%以上。

在特点和广阔前景的推动下，金刚石在半导体产业链的许多环节都表现出了巨大的潜力和价值。金刚石正逐渐渗透到半导体行业的每一个关键领域，从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极和量子技术的应用，推动技术创新和产业升级。

热沉和排热：金刚石因其优异的热导率和绝缘性成为大功率热排放的首选，金刚石单晶热沉片的热导率是铜银的5倍。在半导体激光器中，金刚石热沉片显著提高了热排放，降低了热阻，增强了输出功率，延长了使用寿命。

这一特点促使金刚石在大功率IGBT模块中具有广阔的应用前景，如新能源汽车和工业控制，有助于实现更有效的热排放和更高的功率密度。

目前大功率半导体激光器广泛使用的散热材料是氮化铝热沉，在铜热沉上作为过渡性热沉锻烧。但导热率要求1000~2000W/m·在k之间，金刚石是目前首选甚至唯一可选的热沉材料。金刚石作为热沉材料主要有两种形式，即金刚石薄膜与金刚石、铜、铝等金属复合。

半导体封装基板：在裸芯片封装中，基板是热传导的重要环节。Al2O3瓷器是目前产量最高、应用最广泛的陶瓷基片，但由于其热膨胀系数， (7.2×10-6/℃) 和介电常数 (9.7) 相对于Si单晶而言， 热导率 (15-35W/ (m·K) ) 仍然不够高， 造成Al2O3陶瓷基片不适用于高频、大功率、超大型集成电路。

因此, 随着微电子技术的发展，高密度组装和微型化的特点越来越明显，零部件的热流密度越来越高，对新型基材的要求也越来越高。开发导热性高、性能更好的基材已成为必然趋势。AlN是一种高导热陶瓷基材、SI3N4、SiC、金刚石等逐渐进入市场。

其中，金刚石逐渐成为新一代封装基板材料的焦点，其热导率高，热膨胀系数低，稳定性好。通过将金刚石颗粒与Ag、Cu、由Al等高导热金属基材复合而成的金刚石/金属基材复合材料已经初步显示出其在电子封装领域的巨大潜力。

虽然单一的钻石不容易做成封装材料，而且成本高，但比其他陶瓷基板材料好几十倍甚至几百倍，这也让很多大厂商投入到研究中。特别是在计算能力需求激增的情况下，钻石封装基板为高性能芯片的散热提供了创新的解决方案，帮助人工智能、快速发展的数据中心等行业。

微纳加工：碳化硅、氮化邈等第三代半导体材料加工困难，金刚石微粉及其产品因超硬而成为加工工具。

例如，金刚石工具在碳化硅晶体的切割、研磨和抛光中起着关键作用。另外，随着5G，、随着物联网等技术的普及，消费电子行业对精密加工的需求日益增加。金刚石刀具和微粉产品为金属、瓷器和脆性材料提供了优质的精密表面处理方案，促进了行业的技术进步和产业升级。

另外，金刚石在光学窗口、BDD电极、量子技术等诸多领域都有很大的优势，被认为是未来半导体材料的有力竞争对手。

“裸钻”芯片产业化，不断进步

当前，全世界都在密切关注金刚石在半导体领域的发展。

Element 获得UWBGS项目的Six

近日，Element Six(元素6)公司正在主导美国的一个关键项目——开发和使用单晶。(SC)超宽频高功率半导体，金刚石衬底。该项目由美国国防高级研究计划局（DARPA）超宽带间隙半导体（UWBGS）该计划的一部分旨在开发面向国防和商业应用的下一代先进半导体技术，突破半导体的性能和效率极限。

虽然制备的大尺寸金刚石晶圆可以应用于热沉和光学领域，但在电子半导体领域的商业应用存在许多问题。例如，大尺寸单晶金刚石的合成、剥离和研磨和抛光技术问题需要进一步处理。

因此，Element Six与包括法国在内的多个半导体行业的关键参与者建立了战略合作伙伴关系。 Diamond、Orbray，日本、美国斯坦福大学和普林斯顿大学，雷神公司。这些合作将晶体位错工程、射频氮化邈技术、材料表面和体积处理等专业知识整合在一起，对于促进超宽带间隙半导体技术的发展尤为重要。

据悉，Element 钻石公司Dex是Six Beers的子公司总部位于英国伦敦，是单晶钻石和多晶钻石生成的龙头企业。它沉积在化学气相中。（CVD）具有丰富的技术经验。

Element Six对UWBGS计划的贡献将利用该公司在大面积CVD聚晶金刚石和优质单晶金刚石方面的优质单晶。(SC)实现4英尺设备级SC金刚石基板的金刚石生成专业知识。

SC金刚石衬底是实现先进电子产品的关键，包括大功率射频开关、雷达和通信放大器、高压功率开关、极端环境高温电子设备、深紫外线LED和激光，支撑着数十亿美元的系统市场。

Element Six可以生产高质量、高有序晶体结构的单晶金刚石晶圆。当前，CERN大型强子对撞机的监测系统已经使用了SC金刚石衬底，并有助于发现希格斯玻色子颗粒。Element Six和高功率半导体领导者 ABB 首款高压小块金刚石肖特基二极管合作完成。此外，Element 最近，Six在俄勒冈州波特兰市完成了先进的工作。 CVD 该设施的建设与调试，利用其核心技术，增加可再生资源的动力。

就多晶金刚石而言，Element Six的多晶金刚石晶片直径已经超过4英尺，在EUV中得到了广泛的应用 光刻中的光学窗口、高功率密度Si和GaN半导体器件的热管理应用。

另外，在高压设备方面，Element Six与瑞士企业ABB合作，完成了第一个高压小金刚石肖特基二极管，展示了基于金刚石的半导体在改变功率电子领域的潜力。

同时，Element 在金刚石技术方面，Six正与其合作伙伴一起发展核心能力。通过与日本Orbray进行知识产权和设备交叉许可。Orbray已经建立了单晶金刚石基底的制造技术，直径为55mm(约2英尺)，比传统基底大。这将与Element相结合 Six的CVD技术和Orbray的专业知识(化学气相沉积)可以沉积直径150毫米(约6英尺)的钻石。其目标是建立下一代功率半导体和通信半导体大直径单晶金刚石基板的制造技术，具有优异的抗压和散热性能，扩大单晶金刚石晶圆的经营规模，在超宽带间隙半导体市场占有更大的市场份额。

此外，Element 最近，Six在俄勒冈州波特兰市完成了一项先进的CVD设施建设和调试，该设施由可再生资源驱动，可大规模生产高质量的单晶金刚石基板。

值得注意的是，金刚石分为单晶和多晶两种。多晶金刚石一般用于热沉、红外线和微波窗口、耐磨涂层等。，但并不能真正发挥金刚石的优异电学性能。这是因为它的内部有晶界，会大大降低载流子的迁移率和电荷收集效率，严重抑制其电子设备的性能；单晶金刚石不会有这样的顾忌，一般用于探测器、功率设备等关键领域。

多年来，采用高压高温技术（HPHT）合成金刚石广泛应用于研磨，充分展示了金刚石极高的硬度和极强的耐磨性。近20年来，基于化学气相沉积（CVD）新型金刚石的生成方法已经投入到商业应用中，从而使单晶和多晶金刚石的生成成本更低。这一新型合成方法支持金刚石光学、热学、电化学、化学和电子特性的综合利用。

华为的金刚石布局

2023年11月，华为和哈尔滨工业大学联合申请了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利，涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。

具体来说，硅基和金刚石衬底材料是通过Cu/SiO2混合键合技术三维集成的。华为希望通过两者的结合，充分利用硅基半导体和金刚石的差异优势。

专利书中提到，“随着集成密度的不断提高和特征尺寸的不断缩小，电子芯片的热管理面临着巨大的挑战。芯片内部的热积累很难传递到封装表面的散热器，导致内部温度突然升高，严重威胁芯片的性能、可靠性和使用寿命。”专利利用金刚石的高散热性，为3D集成硅基设备提供供热通道，提高设备的可靠性。

今年3月，厦门大学于大全教授团队基于反应性纳米金属层金刚石低温键合技术，与华为团队合作，成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板封装芯片背面，采用热检测芯片。（TTV）对其排热特性进行研究。

Diamond Foundry，培养世界上第一个单晶金刚石晶圆

一家由麻省理工大学、斯坦福大学、普林斯顿大学工程师创建的公司——Diamond Foundry，还取得了金刚石芯片的进步。

据了解，该公司希望使用单晶金刚石晶圆来限制人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子设备和无线通信芯片的热挑战。

2023年10月，Diamond Foundry培育了世界上第一个单晶金刚石晶片。具体数据显示，这种金刚石晶片直径为100毫米。、重量100克拉。Diamond 目前，Foundry可以在反应炉中培育4英尺长、宽度小于3毫米厚的钻石晶圆，这些晶圆可以与硅芯片一起使用，可以快速传导和释放芯片产生的热量。

Diamond Foundry开发了一套将裸钻植入每个芯片的技术。将金刚石直接与原子连接，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。

这个方案的优点是，它可以使芯片的启动速度至少是额定速度的两倍。Diamond Foundry工程师表示，这种方法可以用于英伟达最强大的AI芯片之一，甚至可以在实验条件下将其额定速度提高到三倍。

根据Diamond 早些时候，Foundry透露，希望能在2023年后引入单金刚石晶片，并在每个芯片后面放置一颗金刚石；预计2033年左右，将金刚石引入半导体。

Advent Diamond：金刚石掺磷技术

Advent在美国 今年四月，Diamond也是一家致力于量产金刚石半导体材料的创业公司，Advent 在这方面，Diamond披露了进展。

据了解，Advent Diamond 企业的一个关键创新就是在首选基础上增加单晶掺磷金刚石的能力，这是美国唯一拥有这种能力的企业。由于它可以在金刚石中制造n型半导体，所以掺磷技术的意义尤为重要，这是电子产品开发的关键因素。此外，Advent Diamond 企业在大规模生长掺硼金刚石层方面也取得了里程碑式的进步，拓展了电子产品基于金刚石的潜在应用领域。

Advent Diamond的专业技能不仅仅局限于材料的生长，还包括综合设计、生产和表征能力。它包括一整套表征技术，如蚀刻、光刻、金属化等先进的洁净室技术，以及显微镜、椭偏仪和电学测量。Advent Diamond表示，利用这一尖端生长技术，开发了本征金刚石层，杂质浓度极低，保证了半导体金刚石材料的最高质量和性能标准。

据悉，目前Advent Diamond已经嵌入了1-2英寸的金刚石晶圆，并且正试图将晶片尺寸扩大到4英尺。但是，缺陷密度仍然是一个关键问题，大多数晶片不到108//左右。cm²或者更高，必须将缺陷减少到103/cm²，为了达到预期的性能。

Diamfaba法国公司：2025年实现4英尺金刚石晶圆

另外，法国半导体金刚石创业公司Diamfab也在不断地为金刚石芯片技术而努力。

法国国家科学研究中心Diamfab（CNRS）奈尔研究所实验室（Institut Néel）衍生产品，也是金刚石生长研发30年的结果。最初，Diamfab项目在格勒诺布尔阿尔卑斯SATT Linksium孵化，该公司成立于2019年3月，由两位纳米电子博士和半导体金刚石领域认可的研究人员Gauthier Chicot和Khaled 创建Driche。

Diamfab表示，为了满足汽车、可再生资源和量子产业半导体和功率元件的市场需求，公司在生成金刚石的外延和混合领域开发了突破性技术，并拥有四项专利，其特点是金刚石电子元件的生长和混合，以及金刚石电子元件的设计。

今年三月，该公司宣布获得首轮融资870万欧元。这一轮融资将使 Diamfab 能建立一条实验生产线，对其技术进行工业化预处理，加快其发展，从而满足金刚石半导体日益增长的需要。

Diamfab已申请全金刚石电容专利，并与该领域的领先企业合作。DiamfabCEOGauthier “在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过1000A/cm2的高电流强度和超过7.7.7.MV/cm 穿透电场。这是未来设备性能的关键参数，已经优于SiC等当前材料，为电力电子设备提供参数值。另外，我们还有一张明确的路线图，作为大规模生产的关键推动因素，在2025年实现4英尺晶圆。”

金刚石芯片产业在日本全面发力

据公布的研究结果显示，日本对金刚石芯片产业化的探索更为全面。

从2022年开始，日本生成了金刚石晶圆，可用于量子计算项目的纯度；2023年初，日本佐贺大学教授和日本精密零部件制造商Orbray合作开发了一种由金刚石制成的功率半导体，其功率半导体可达1厘米。² 在金刚石半导体中，875兆瓦的电力运行，输出功率是世界上最高的；在日本，千叶大学的研究小组提出了一种新的激光技术，它可以在最佳晶体平面上“毫不费力地切割”裸钻。

切割千叶大学科研团队的方法

基于激光切割技术，钻石可以在不破坏裸钻的情况下干净地切割。研究人员表示，新技术避免激光切割过程中不良裂缝的传播，通过将短激光脉冲聚焦在材料中的狭窄锥形体积上。

千叶大学表示，这项新技术可能是将裸钻转化为“半导体材料适合未来更高效的技术”的关键一步。艾迪教授说，激光切割钻石“可以低成本生产高质量的晶圆”，制造裸钻半导体设备是必不可少的。

Akhan，美国公司

Akhan公司主要从事实验室制造生成电子金刚石材料，早在2021年8月，Akhan就宣布开发了首款将CMOS硅与金刚石基板相结合的300mm晶圆，并获得了阶段性里程碑。

Akhan在2013年左右获得了美国能源部阿贡国家实验室开发的独家金刚石半导体应用许可证，具有突破性低温金刚石沉积技术。该技术能在低至400℃的温度下，将纳米金刚石沉积在各种晶片基底材料上。Miraj来自阿贡的低温金刚石技术和Akhan 结合Diamond工艺，打破了半导体工业中金刚石薄膜的使用仅限于p型混合的难题。

随后，Akhan再次宣布其Miraj Diamond平台，它开发了一种新的申请专利技术，其中在硅上建立了n型金刚石材料，具有以前没有得到证实的特点。

根据之前的文章《金刚石芯片，商业用途即将到来》，Akhan的创始人兼首席执行官Adamam指出 今年1月，Khan成立了一家新公司Diamond Quanta，致力于半导体领域，旨在利用金刚石的优良特性，为电力电子和量子光子设备提供先进的解决方案。

今年5月，Diamond Quanta宣布，其“统一的钻石框架”有利于真正的替代和混合。这项创新技术在不破坏其晶体完整性的情况下，将新元素无缝融入钻石结构，赋予裸钻新的特性。

所以，金刚石已经转变为高性能半导体，可以支持负(n型)和正(p型)电荷载流子。这种迁移率水平表明，金刚石晶格非常干净有序，透射中心已经有效钝化，因为它已经成功实施了缓解载流子传输缺陷的混合策略。另外，通过调整位错，对现有的金刚石结构进行了细化，从而提高了材料的导电性能。这些进步不仅保留了金刚石的结构，而且避免了常见的缺点，如明显的晶格畸变或引入通常会降低迁移率的陷阱。

“启动Diamonddid Quanta需要开发这种先进的夹杂技术。电子、汽车、航天工程、能源等行业一直在寻找一种半导体技术，可以应对技术扩张不断变化带来的压力。”Adam Khan说。“我们的技术不仅为寻求提高半导体效率的行业提供替代材料；我们正在推出一种新的材料，这将重新定义性能、耐久性和效率的标准，它将在增加现代时代日益沉重的负荷和动力方面发挥不可或缺的作用。”

韩国团队：降低金刚石薄膜成本

今年4月，来自韩国基础科学研究所的材料科学团队在《自然》杂志上发表文章，宣布在标准气压和1025年成功发表。°在C下实现裸钻生成，这一制备工艺有望为金刚石薄膜的生产创造一条低成本的道路。

Rodney研究团队负责人 根据Ruoff的说法，几年前，我们注意到生成金刚石不一定需要极端条件，同素异形石墨可以通过暴露在甲烷气体中来生成金刚石，这启发了Ruoff对含碳气体中含碳金“脱碳”产生金刚石路线的研究。在一次巧合中，Ruoff团队发现，当反应环境引入硅单质时，出现了细小的金刚石晶体。根据这一现象，测试团队改进了反应装置，将含有液体钒、铁、镍和硅的混合物暴露在甲烷氢混合气氛中，加热到1025年。°C，金刚石是在不使用高压和晶种的情况下成功生成的。现在Ruoff团队已经成功地准备了由数千个金刚石晶体组成的微型金刚石薄膜。

如果这种常压合成技术在未来能够成功推广到更大的规模，将为量子计算机和功率半导体的发展开辟更经济、更简单的金刚石薄膜制备路面提供有力的帮助。

不仅仅是这些企业正在推动“裸钻”芯片的产业化。也有许多行业公司投身于此。

从各种趋势来看，业界对金刚石半导体的关注度越高，优质资源的不断收集也加快了R&D和产业化的速度。这意味着“裸钻”晶圆时代的开始。

一般来说，金刚石半导体具有优于其他半导体材料的优异特性，如高导热性、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、光学透过性、耐化学性和抗辐射性。目前，行业正在进一步向金刚石迈进，逐步进入金刚石多功能发展的转型期。

未来，随着大规模、高质量、大规模、高灵活性金刚石沉积技术的逐步发展，大规模集成电路和高速集成电路的发展有望进入一个新时期。

写在最后

早在五六十年前，科学界就掀起了研究金刚石半导体的热潮，但到目前为止，金刚石半导体制造的设备还没有得到大规模使用。有些工程师觉得金刚石可能永远处于半导体产品化的边缘。

诚然，钻石在半导体领域具有明显的优势，但为了实现钻石芯片的大规模生产和应用，仍然面临着成本高、加工难度大、混合技术不成熟、应用范围有限等诸多挑战和限制。

虽然这种材料还有很多路要走，但它已经在半导体链中显示出活力和应用潜力。我们相信，在各方的共同推动下，具有各种优异特性的钻石设备将在未来进一步发展，帮助半导体材料领域迈出至关重要的一步。

当然，新材料的最终功能并不是以硅为代表的传统材料在沙滩上被杀死，而是作为一种互补性，在其专业领域得到充分发挥。

本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：L晨光，36氪经授权发布。

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