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金刚石芯片正在成为半导体行业热点
凌昱微 凌昱微 2024-06-24 4


前言:
氮化镓和碳化硅之后,金刚石也就是钻石,作为一种新半导体材料闯入了大家的视线当中,并引发了研究人员和行业专家的关注。
华为和哈尔滨工业大学的专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》被公开,引起了业内的“疯狂”。“钻石”芯片,究竟有何种魅力?
作者 | 方文三
图片来源 |  网 络 

华为的“钻石”专利
不久前,华为与哈尔滨工业大学联合申请的一项专利,这项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。
具体来看,就是通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。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不同优势。
硅基半导体的优势不用多说,有成熟的工艺及产线、生产效率高并且成本较低。
金刚石则是已知天然物质中热导率最高的材料,室温下金刚石的热导率高达2000Wm1K1,同时金刚石是宽禁带半导体,具备击穿场强高、载流子迁移率高、抗辐照等优点,在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。
在专利书中提及,本次结合利用的就是金刚石极高的发展潜力,想要为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。
实际上,引发半导体业内“疯狂”的“钻石”芯片在国际上并非只有华为一家。近年来,“钻石”芯片的研发消息频频传来。
金刚石强在哪里
先说金刚石的高热导率。在大阪公立大学的研究里,提到了“由金刚石为衬底制作的氮化镓晶体管,其散热能力提高两倍之多”。
目前而言,芯片制造面临的最大基本挑战之一便是温度控制。对于大部分硅制的芯片来说,一旦温度过高,那么芯片就会变得不可靠。
而金刚石恰好是一种完美的“散热器”。在热导率数值上,它比碳化硅大4倍,比硅大13倍,可以有效降低半导体器件运行时产生的热量。


金刚石的5.5eV的禁带宽度。金刚石是一种超宽禁带半导体材料,其禁带宽度是Si的5倍;载流子迁移率也是Si材料的3倍,理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料(GaN、SiC)也要高2倍以上。
优秀的禁带宽度也使得金刚石拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数。甚至被称为“终极半导体”。日本开发的金刚石功率半导体利用的就是这一特性。
同时,需要注意,在2022年,美国商务部工业和安全局(BIS)发布公告,称出于国家安全考虑,将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制,其中之一就是能承受高温高电压的第四代半导体材料金刚石。
金刚石的特殊的能量结构。这个特性主要是关于金刚石用在量子存储中。与传统的存储器相比,金刚石量子存储器能将光子转换成金刚石中碳原子的特定振动,适用于许多不同颜色光的这种转换,将允许对光进行广谱操纵。
金刚石的能量结构允许其以很低的噪声在室温下实现。从理论上来说,金刚石半导体在室温下工作,性能最高。 
日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐贺大学研发出的可以用于量子计算机存储器的金刚石晶圆,主要希望利用这一特性。


金刚石芯片面临的挑战
当然,性能如此优秀的半导体材料,在其他方面不免受到一些限制。
首先就是成本。与硅相比,碳化硅的成本是其 30 到 40 倍,而氮化镓的成本是其 650 到 1300 倍。用于半导体研究的合成金刚石材料的价格约为硅的 10,000 倍。
另一个问题是金刚石晶片尺寸太小,市场上最大的金刚石晶片尺寸还不到 10 平方毫米。使用离子注入法掺杂这种材料很困难,而且这种材料的电荷载流子活化效率在室温下会降低。
为了解决生产应用方面的问题,不少公司都在努力攻关金刚石量产的相关技术。

国外企业联合推进
2023年初,日本佐贺大学与日本Orbray共同合作开发了金刚石制成的功率半导体,他们在蓝宝石衬底上制成2英寸的单晶圆。
2023年10月,美国的Diamond Foundry于成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆,直径约4英寸。
法国格勒诺布尔的半导体金刚石初创公司Diamfab也在为了金刚石芯片的技术而不断努力。
今年3月,该公司宣布获得870万欧元的首轮融资。这笔资金来自Asterion Ventures、法国政府代表法国政府管理的法国科技种子基金等。
Advent Diamond 联合创始人兼首席执行官 Manpuneet Benipal表示,Advent Diamond正在开发的创新型金刚石辐射探测器为国防、商业和科学市场提供了变革性的解决方案。
Benipal指出,目前Advent Diamond已有 1 到 2 英寸的镶嵌金刚石晶片,并正在努力将晶片尺寸扩大到 4 英寸。
然而,缺陷密度仍然是一个关键问题,大多数晶片的缺陷约为 108个/平方厘米或更高。他表示,必须将缺陷降低到 103缺陷/平方厘米,才能实现预期性能。


结尾:
总而言之,金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性,如高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等。
未来,随着制造技术的进步和对金刚石的更深入研究,金刚石可能会成为制造高效、稳定、耐用的芯片的关键材料。
内容参考来源于:半导体产业纵横:钻石,颠覆传统芯片;电子工程世界:华为的“钻石芯片“专利,是什么?;镁客网:2024年了,“钻石芯片”还要多久才能造出来?半导体行业观察:金刚石芯片,商用在即

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