金刚石，如何在半导体产业链中找准“定位”？

金刚石，如何在半导体产业链中找准“定位”？

转自：Carbontech

最近几年，“金刚石半导体”这一词汇变得很时髦！但凡去和一个企业沟通，就说“我们目标是半导体产业！”众所周知，金刚石材料，一贯被吹捧为终极半导体材料，那这究竟能什么时候落地？到底是概念性，或是噱头，还是有实力？我们要认清一个现实，材料本身具备这一特性，不等于就能商业用起来！

一、金刚石，“终极半导体材料”优势

金刚石半导体具有超宽禁带(5.45 eV)、高击穿场强(10 MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(22 W/cm·K)等材料特性，以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。金刚石半导体被公认为是最具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

金刚石，作为半导体的优点很多，但怎么用起来？用在什么场景？究竟能什么时候落地？我们要认清一个现实，材料本身具备这一特性，不等于就能商业用起来！！！所以说，金刚石，在半导体产业链中找准“定位”，很重要！

在了解金刚石在半导体产业链中“定位”这一问题前，我们先弄清楚半导体产业链及为什么需要发展新型半导体。

二、材料在半导体产业链中占据什么位置？

1、半导体产业链

半导体产业链主要包括设计、制造、封装与测试三大环节与半导体设备及材料两大支柱产业。半导体材料处于整个半导体产业链的上游环节，对半导体产业发展起着重要支撑作用，具有产业规模大、细分行业多、技术门槛高、研发投入大、研发周期长等特点。其中，半导体衬底材料是半导体行业的重要组成部分，是制造半导体器件和集成电路的基础材料。

2、在过去的数十年间，硅基芯片引领了世界范围的信息化浪潮。

世界范围的信息化浪潮正带来全球网络化、国家数字化、社会智能化的整体转变，5G、人工智能、大数据和云计算等先进技术的诞生和蓬勃发展，以及向生产生活各层面的深度渗透，更加速推动信息时代的快速发展。在世界数字化汹涌前行的背后，是硅基半导体芯片性能的持续飞速提升，提供了存储、运算、网络、智能的多维度底层支撑，为数字升级、智能互联打造了坚实的硬件基础。

三、为什么要发展新型半导体材料？

1、行业领先技术的衡量指标——摩尔定律

目前，硅基半导体在我们的日常生活中扮演着重要角色，手机、电脑、通信、算力系统……，不可或缺！那为什么要研究发展其他半导体材料体系，这就不得不提半导体行业领先技术的衡量指标——摩尔定律。

1965年，英特尔的创始人之一戈登·摩尔发布了集成电路行业最知名的定律：“每隔18个月，同样面积内晶体管数量翻倍，但是价格不变。”这就是后来被称为“集成电路的指数级增长”的摩尔定律。60多年来，晶体管数量的增长得益于制程工艺的创新，与摩尔定律一直保持着“默契”。芯片的尺寸越来越小，性能应用越来越先进。俨然，摩尔定律已成为半导体企业保持技术领先的衡量指标：保持摩尔定律企业就能生存，不能保持摩尔定律企业就会在竞争中被淘汰。

2、摩尔定律正遭遇技术与成本两大发展瓶颈

随着人工智能、物联网、超级计算等时代的到来，对半导体材料与器件提出了更高的性能要求，半导体产业即将步入亟需转变突破发展的关键点。随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度范围后，半导体技术发展面临一系列物理限制条件，既有来自于基本物理规律的限制，也有来自于材料、技术、器件和系统方面的限制。单纯依靠缩小尺寸的做法正走向穷途末路。目前，全球半导体行业不再基于每两年实现性能翻倍的概念来制定硅芯片研发计划，芯片企业都面临着芯片研发速度减缓的问题，无法再像原来那样大幅度缩小硅晶体管，无力承担跟上性能提升步伐所需购买的超复杂制造工具和工艺成本。硅基芯片的研发已进入瓶颈期。这也部分打破“投资发展制程——芯片生产成本降低——用部分利润继续投资发展制程”的逻辑。也就是说，传统的硅基电子技术临近生命周期极限，摩尔定律正遭遇技术与成本两大发展瓶颈。

3、钻石时代，也许将是延续或重塑未来科技辉煌的重要尝试

为摩尔定律续命的尝试，多年来，为解决硅基半导体面临的瓶颈，业界从“结构和材料”入手，持续推动集成电路发展。碳作为同族元素，被寄予厚望。碳基半导体也被认为是后摩尔时代的颠覆性技术，是我国在半导体领域突破点之一！相较于石墨烯、碳纳米管等碳基半导体，金刚石半导体在高功率下较稳定、散热佳，具有许多优势应用领域。另外，金刚石，作为人造晶体材料，与硅一样，有机会被制成大块晶体，这将大大降低制造晶圆难度，减少缺陷。行业内目前已可以研制出3英寸以上的高质量金刚石单晶晶圆。同时，金刚石体系又能和硅的半导体工业体系相兼容，即硅的制造技术与设备亦适用于金刚石材料。目前硅的投入已能达到一条生产线产出几十亿块单晶的产量，若金刚石制备工艺与技术能够发展成熟，就可以充分利用成熟的硅技术体系来实现大的产量。所以说，金刚石被业界誉为“终极半导体材料”，那么或许延续或重塑未来科技辉煌的就是钻石时代。

四、金刚石“芯”产学研道路困难重重

理想很丰满，现实很骨感。金刚石“芯”产学研道路困难重重。虽说，金刚石作为半导体的优点很多，但怎么利用起来？用在什么场景？究竟能什么时候落地？我们要认清一个现实，材料本身具备这一特性，不等于就能商业用起来！

例如，金刚石在实际应用于下一代电子产品中，虽然人们已经在金刚石高压开关二极管的实验建模和制备、大功率高频场效应管、高温下工作的器件以及MEMS/NEMS做了大量的努力，但金刚石晶圆的生产存在缺陷，且无法实现大面积晶圆生长。大尺寸金刚石晶圆是电子器件的基础，2英寸只是起点，晶圆尺寸越大，芯片在较长时间的稳性和耐久性以及经济性就会提高很多。近年在金属铱基底上已经可以生长出直径为4英寸的金刚石薄膜，但是缺陷仍然必须被进一步最小化，缺陷密度需要控制到10⁴/cm²以下，目前硅晶圆的缺陷密度可以控制在每平方公分1万个缺陷以内；同时，均质外延生长金刚石的尺寸也在增加。另外，金刚石存在浅层掺杂问题，掺硼的p型金刚石的合成和应用已经相对成熟，而且通过离子植入或CVD方法可以很好地控制杂质水平和载流子传输特性。然而，合成n型金刚石仍有很大的困难，这限制了金刚石半导体材料在电子领域的应用，在改进掺杂技术、提高电子迁移率、降低电阻率方面，值得进一步研究。

另外，半导体晶圆需要一个平坦的面，几个原子凸起都会极大影响半导体性能。而金刚石在直接生长时，表面并不平滑，需要后续加工处理，只有将一块单晶金刚石晶圆片打磨至接近原子级的平滑度，才能取代电子设备中的一些硅元件。金刚石也是自然界最硬的物质，其超精密研磨抛光技术的发展十分重要，也是决定金刚石能否做晶圆的关键技术。除了研发出高性能的材料以外，封装、键合等周边技术也是影响金刚石“造芯”之路的重要因素。

五、钻石晶圆时代开始，造芯进展如何？

目前，我国部分高校研究走在国际前列，例如北京科技大学、哈尔滨工业大学、中科院宁波材料所、西安交通大学、西安电子科技大学、电子科技大学、香港大学等。但科研成果离工程化应用和实际赚钱还需要很长一段路要走。

目前业界对金刚石半导体的关注程度越高，优势资源不断汇集，也加速了研发和产业化速度。这意味着钻石晶圆时代的开始。

2022年，日本安达满纳米奇精密宝石有限公司（2023年1月1日起，变更为Orbray株式会社）联合日本佐贺大学成功开发了超高纯度2英寸金刚石晶圆的量产方法。双方也利用2英寸晶圆，研发出了输出功率为875MW/cm2（为全球最高）、高压达2568V的半导体。

2022年8月，诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，即日本早稻田大学下属的Power Diamond Systems（简称为：“PDS”）。该公司的目标是把金刚石半导体行业的先驱一一川原田洋教授的研发成果推向实用化。

2023年10月，Diamond Foundry（简称DF）的公司，采用异质外延法创造出了世界上首个单晶钻石晶圆（Diamond Wafer），直径100毫米、重110克拉。按照DF公司的说法，他们可以实现将钻石直接以原子方式与集成电路晶圆粘合，晶圆厚度可以达到埃级精度，这不仅凸显了其粘合精度之高，而且为半导体产业未来向纳米甚至埃米级别进展提供了坚实的技术基础。

2023年11月，哈尔滨工业大学与华为专利，“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”。这项专利涉及芯片制造技术领域，主要是实现了以Cu/SiO₂混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。三维集成技术能实现多芯片、异质芯片集成等多层堆叠的三维（3D）集成，但电子芯片的热管理面临极大的挑战。

……

六、金刚石暂时离芯片很遥远，在半导体产业链上率先做哪些？

1、热沉——高功率器件最佳搭档

散热性能是金刚石材料与生俱来的，其热导率和电学特性优势十分显著，没有任何明显短板，其热导率可达2000W/m·k，是铜、银的5倍，又是良好的绝缘体，这也使得金刚石器件拥有更高的功率处理能力，也意味着采用金刚石微波功率器件的电子系统有望摆脱庞大笨重的散热模块而实现轻量化、小型化。此外，在热导率要求1000~2000W/m·k之间，金刚石是首选以及唯一可选热沉材料。

目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉，将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。目前人造金刚石热沉的热导率最高已经达到1800W/m·k以上，远远大于氮化铝和铜的热导率。将其作为过渡热沉，将提高器件的散热能力，减少热阻，提高激光器输出功率，延长激光器寿命。

随着新能源汽车的爆发，IGBT也获得了高关注。作为新能源车的电机驱动部分最核心的元件，电动汽车用IGBT模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求，为大幅提高IGBT功率密度、散热性能与长期可靠性，高效的散热方案尤其重要。

2、封装——超高热导半导体封装基板

电子制造业作为信息技术发展的重要支撑，也已经成为各国的重要支柱产业，中国也在新时期科技发展纲要中确定把高端芯片和极大规模集成电路制造业列为重大专项。随着微电子技术的发展，高密度组装、小型化特性愈发明显，组件热流密度越来越大，对新型基板材料的要求越来越高，要求具有更高的热导率、更匹配的热膨胀系数以及更好的稳定性。目前，各种新型封装基板材料已成为各大厂竞相研发的热点，其中金刚石作为新一代基板材料正得到愈来愈多的关注。目前，业界将金刚石颗粒中加入Ag、Cu、Al等高导热金属基体，制备出金刚石/金属基复合材料，并作为电子封装的基板材料，已初步验证其性能，既具有低热膨胀系数又具有高热导率，已实现小规模应用。

另外，随着诸如ChatGPT这类生成式人工智能模型的应用热潮汹涌，算力时代疾驰而至。算力向下扎根于数据，向上支撑着算法，是驱动AI发展的核心动力，这催生了散热新需求。高性能芯片的散热一直是电子产品服役中的突出难题，尤其是在“后摩尔时代”，先进封装多芯片系统的功率和热流密度急剧增加，芯片热点的热流密度甚至可达到核弹爆炸级别的kW/cm²，这也是限制高性能芯片功耗、算力和集成度的关键。

目前这一方向已经突破性进展，例如厦门大学于大全教授团队与华为团队合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板（Interposer）封装芯片的背面，并采用热测试芯片（TTV）研究其散热特性。

3、微纳加工

第三代半导体材料、器件已实现了从研发到规模性量产的成功跨越，并进入产业化快速发展阶段，在新能源汽车、高速轨道交通、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点领域实现了应用突破。第三代半导体目前主流器件形式为碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化镓外延射频器件。其中，碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景，应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件更适合高频情况，应用在5G基站等领域。第三代半导体碳化硅材料硬度大，在碳化硅晶体切割、晶片研磨、晶片抛光等几个生产环节均需使用金刚石微粉或相关产品进行加工。

对于消费电子行业而言，5G和物联网等技术的快速发展需要更加复杂的材料和精细的加工，金刚石/超硬材料刀具、微粉等制品可为金属、陶瓷和脆性材料等提供高质量的精密表面处理。例如，显示玻璃基板是手机、电视等电子设备中显示面板的重要组成部分，对面板的性能有着直接而显著的影响。电子玻璃市场随着电子产品出货量的快速增长而不断扩张，随着行业技术迭代升级，对于产品性能和品质的要求不断提高，将为金刚石/超硬材料制品创造广阔的市场空间。

4、BDD电极

随着现代经济和社会的快速发展，各行业的污水排放量日益增加，污染物成分也越来越复杂，对人体健康和生态环境都产生了巨大的破坏。如何处理这些污水，成了全人类共同面对的巨大挑战。电化学高级氧化工艺作为一种新型污水处理工艺，由于其具有所需设备简单、操作容易、控制方便、适用范围广、无需添加化学试剂等优点被视为一种极具应用潜力的污水处理工艺。电化学高级氧化工艺的核心在于阳极材料，其中掺硼金刚石（BDD）电极因其极宽的电化学窗口、极高的析氧电位、极低的吸附特性和优异的抗腐蚀性能，被认为是电化学降解有机废水的新型阳极材料，在污水处理中具有广阔的应用前景，成为近年来的研究热点。

5、量子科技应用

金刚石因为拥有超高的导热性、导电性以及优异的光学特性，科学家常思考把它作为半导体材料应用于光电工程中的可能性，这也助推了金刚石在量子信息技术领域的发展。由于金刚石具有超宽的禁带宽度，使其位于禁带中深能级缺陷发光不被吸收而发射出来，形成一系列缺陷诱导的颜色中心，即所谓的“色心”。特别是，金刚石中与空位相关的缺陷，如氮空位（NV）或硅空位（SiV）中心。这些色心具有类似“单原子”的分立能级，非常适合用于量子信息处理、量子计算的载体、量子精密测量领域。目前这一方向，我国中科大、南京邮电大学均有团队已初步产业化。

6、金刚石光学窗口

导弹导引头的关键元件之一是保护光学与焦平面阵列的多光谱窗。高热传导性是其中成功的重要因素。因为与空气的剧烈摩擦会导致窗口温度的升高，引起红外探测器的信噪比降低，最终会使窗口不透光。因此，窗口需要冷却。已经验证的一种冷却窗口的方法是外膜冷却，这种方法要求窗口必须有强大的热传导性。所有用于窗口制造的备选材料以金刚石为最佳，主要在于其热膨胀系数最小，而热导率最高的性能。

……

七、对于企业而言，活着更重要！

目前我国正在向金刚石强国迈进，并逐步进入金刚石多功能发展的转型时期。这也需要进一步加强研制新型CVD设备，为大尺寸、高品质金刚石晶圆制备和后硅时代电子学的发展奠定坚实基础。金刚石，作为半导体的优点真的很多！但只有金刚石产品的价格和品质达到一定的平衡点，企业愿意用这一材料，其功能应用尝试才能快速拓张！怎么用？用在哪？卖给谁？这也需要政府、企业、科研机构共同行动！

当然，目前，对于企业而言，活着更重要！

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