電力損耗僅1/50000！日本金剛石半導體逐近商業(yè)化

鉆石功率半導體由合成鉆石制成，由于熱導性和其他特性，被稱為 “*半導體材料”。其性能比現(xiàn)有材料超出一個量級，隨著日本研究有所進展，正逐漸接近商業(yè)化的可行性。

"鉆石"?芯片，魅力何在？

“鉆石” 又為金剛石，特別適合用于功率半導體，因其電氣強度約是硅的 33 倍。金剛石功率半導體可在約五倍熱的環(huán)境中運行，電力損耗可減少到硅制產(chǎn)品的五萬分之一。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）同樣也是備受關注的下一代半導體基板，但金剛石性能遠高于兩者。以巴利加系數(shù)（Baliga figure of merit，BFOM）來看，金剛石的性能是碳化硅的 80 倍以上，是氮化鎵的 10 倍以上。金剛石半導體有望用于需要大量穩(wěn)定電源的應用，包括電動車、飛天車和發(fā)電站；其耐高溫和抗輻射特性也有望用于核能和太空等領域。然而，金剛石做為半導體材料也面臨諸多困難，如硬度關系，很難按電子設備所需的精度進行研磨和加工，再來長時間用于半導體也可能變質，成本也影響商業(yè)化進程。但經(jīng)過去幾年的長足進步，金剛石半導體預計將在 2030 年間進入商業(yè)化階段。而日本在該領域的研發(fā)方面處于*地位。

日本全面發(fā)力金剛石芯片產(chǎn)業(yè)

根據(jù)已有的研究成果來看，日本對于金剛石芯片的產(chǎn)業(yè)化探索較全面。2021 年 9 月，日本東京精密組件制造商 Orbray 與日本佐賀大學合作，成功開發(fā)了超高純度的 2 英寸金剛石晶圓。在次年 5 月，雙方又合作利用 2 英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為 875MW/cm2（為全球*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(fā)企業(yè) Mirise Technologies 簽訂協(xié)議，共同研發(fā)鉆金剛石功率半導體。2023 年 4 月，日本佐賀大學開發(fā)了世界上*個使用金剛石半導體器件的功率電路。同年，12 月，該大學的教授嘉數(shù)誠表示，將目前作為控制電力的功率半導體推進研究的 “金剛石半導體”，應用于太空通信的微波傳輸半導體。

2023 年 12 月，日本初創(chuàng)公司 Power Diamond Systems 開發(fā)一種鉆石組件，可處理世界*的 6.8 安培電流，計劃幾年內開始出貨樣品；新創(chuàng) Ookuma Diamond Device 在福島縣建廠，將量產(chǎn)鉆石半導體，目標 2026 年開始營運。研究制造精密設備的 JTEC Corporation，擁有電漿拋光高硬度材料表面的獨特技術。該公司已成功拋光世界*尺寸的單晶鉆石基礎材料，獲得加工鉆石材料的開發(fā)設備訂單。

“鉆石” 芯片產(chǎn)業(yè)化，進展不斷

除了日本，歐美及國內也積極投入在金剛石半導體的研發(fā)。

歐美國家

在人造金剛石先進材料的設計、開發(fā)和生產(chǎn)的全球領導者－Element Six（元素六），正主導美國一個關鍵項目－開發(fā)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*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(fā)下一代面向國防和商業(yè)應用的先進半導體技術，突破半導體的性能和效率極限。為此，Element Six與多個半導體行業(yè)的關鍵參與者建立了戰(zhàn)略合作伙伴關系，包括在2024年6月，與日本東京精密組件制造商 Orbray達成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn) “全球品質*高的單晶金剛石晶圓”。

在人造金剛石先進材料的設計、開發(fā)和生產(chǎn)處于全球領導地位的 Element Six 公司，正主導美國一個關鍵項目－開發(fā)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*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(fā)下一代面向國防和商業(yè)應用的先進半導體技術，突破半導體的性能和效率極限。為此，Element Six 與多個半導體行業(yè)的關鍵參與者建立了戰(zhàn)略合作伙伴關系，包括在 2024 年 6 月，與日本 Orbray 達成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn) “全球品質*高的單晶金剛石晶圓”。

2023 年 10 月，由麻省理工、斯坦福大學、普林斯頓大學的工程師創(chuàng)立的企業(yè)——Diamond Foundry，在金剛石芯片方面也取得了進展。該公司培育出了世界上*個單晶金剛石晶片，其直徑為 100 毫米、重量 100 克拉。Diamond Foundry 目前已經(jīng)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(chǎn)生的熱量。Diamond Foundry 還開發(fā)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。據(jù) Diamond Foundry 透露，希望在 2033 年前后，將金剛石引入半導體。

擁有在*基底上生長單晶摻磷金剛石能力的美國初創(chuàng)公司 Advent Diamond，于今年 4 月表示解決了關鍵技術難題，成功通過制造摻雜磷的單晶金剛石來創(chuàng)建n型半導體。此外，該公司也正在研發(fā)基于鉆石的輻射探測器，為國防、商業(yè)和科學領域帶來革命性變化。

中國

2023 年 11 月，華為與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合申請的一項專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》，該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。具體來看，就是通過 Cu/SiO2 混合鍵合技術將硅基與金剛石襯底材料進行三維集成。華為希望通過兩者的結合，充分利用硅基半導體和金剛石的不同優(yōu)勢。今年 3 月，華為又與廈門大學與合作開發(fā)了基于反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術，成功將多晶金剛石襯底集成到 2.5D 玻璃轉接板封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。

*后

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，金剛石在半導體領域雖具有顯著優(yōu)勢，但要實現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術工藝不成熟以及應用范圍有限等問題。盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導體鏈中展現(xiàn)活力與應用潛力。

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，金剛石在半導體領域雖具有顯著優(yōu)勢，但要實現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術工藝不成熟以及應用范圍有限等問題。盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導體鏈中展現(xiàn)活力與應用潛力。