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鉆石，成為半導體終極材料

自1959年硅(gui)晶(jing)片誕生以(yi)來，半(ban)導(dao)體工業(ye)不斷地突破和(he)創新。從硅(gui)發(fa)展到(dao)現在大火大熱的碳化硅(gui)(SiC)/氮化鎵(GaN)等(deng)寬(kuan)禁帶半(ban)導(dao)體材(cai)(cai)料，再(zai)到(dao)對氧化鎵的探索(suo)，產業(ye)界(jie)始終(zhong)(zhong)在探索(suo)具有更優(you)導(dao)熱和(he)電絕緣性能的新材(cai)(cai)料，以(yi)應(ying)對不斷升級的技術要(yao)求(qiu)。而(er)鉆石(shi)晶(jing)圓，就目前已經探到(dao)的材(cai)(cai)料而(er)言，可以(yi)說是(shi)終(zhong)(zhong)極的半(ban)導(dao)體材(cai)(cai)料了。

眾多(duo)周知，整個半導體產業(ye)遵循著摩爾定律(lv)已經來到(dao)了3納(na)(na)米(mi)，蘋果的3納(na)(na)米(mi)芯片已經伴隨(sui)iPhone15 Pro和Pro max悄然到(dao)了消(xiao)費者(zhe)手中。隨(sui)著我們正在(zai)向(xiang)2納(na)(na)米(mi)、1納(na)(na)米(mi)甚至是埃(ai)米(mi)(Angstrom，1埃(ai)=十億分(fen)之一米(mi))級別邁(mai)進。依靠現在(zai)的硅基(ji)材(cai)料顯然是有(you)(you)很大(da)難度(du)的，物理極限的問題不斷顯現，熱(re)挑戰也在(zai)困(kun)擾著行業(ye)。與當今現有(you)(you)的材(cai)料相比，鉆石展現了其(qi)多(duo)項超群的特性(xing)。

首(shou)先，按照DF公司的說法，他們可以(yi)實現將鉆石直接以(yi)原子方式與集成電路晶圓(yuan)粘(zhan)合，晶圓(yuan)厚度(du)可以(yi)達(da)到埃(ai)級精(jing)度(du)，這不僅凸顯了其粘(zhan)合精(jing)度(du)之高，而且為半導體產(chan)業未(wei)來向納米(mi)甚至埃(ai)米(mi)級別(bie)進展提供(gong)了堅實的技術基礎。

其次，單晶鉆石(shi)是已(yi)知熱導(dao)(dao)率最(zui)高的材料(liao)。典型的硅的熱導(dao)(dao)率為150W/(m·K)，銅(Copper)是380W/(m·K)，而鉆石(shi)的熱導(dao)(dao)率遠高于硅和銅，高達(da)2400W/(m·K)，這(zhe)就意味(wei)著它(ta)能更(geng)有效地(di)傳(chuan)導(dao)(dao)熱量，使集成電路能夠更(geng)快(kuai)地(di)運(yun)行且壽命更(geng)長。

鉆(zhan)(zhan)石(shi)還(huan)有一個很大的(de)(de)優勢是極高(gao)的(de)(de)絕(jue)緣(yuan)性。衡量(liang)不同材料(liao)(liao)絕(jue)緣(yuan)性好壞的(de)(de)一大重(zhong)要(yao)指標是擊穿電(dian)場強度，表示材料(liao)(liao)能承受(shou)的(de)(de)最大電(dian)壓不造成電(dian)擊穿。作(zuo)為(wei)對(dui)比，硅材料(liao)(liao)的(de)(de)擊穿電(dian)場強度為(wei)0.3 MV/cm左右，SiC為(wei)3 MV/cm，GaN為(wei)5 MV/cm，而(er)鉆(zhan)(zhan)石(shi)則為(wei)10 MV/cm。而(er)且即使是非常薄(bo)的(de)(de)鉆(zhan)(zhan)石(shi)切片也具有非常高(gao)的(de)(de)電(dian)絕(jue)緣(yuan)性，能夠抵(di)抗非常高(gao)的(de)(de)電(dian)壓。這對(dui)于功率電(dian)子學領(ling)域中(zhong)的(de)(de)器件微型化是非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)。

因此，憑借極高(gao)的導熱性和電(dian)絕緣性以及可與集(ji)成(cheng)電(dian)路晶圓直接粘合的特(te)點，使(shi)得鉆石(shi)成(cheng)為理(li)想的半導體基底材料。

世界上首個110克拉、晶圓大小(xiao)的鉆石(shi)是如(ru)何制造出來的?

創造出(chu)世界首個(ge)DF公司(si)(si)的(de)創始(shi)(shi)團隊(dui)由(you)麻省理(li)工學院、斯坦福大學和普林斯頓大學的(de)工程師(shi)組成，大約2012年之前，他(ta)們還是(shi)一(yi)(yi)家(jia)太陽能發電科技公司(si)(si)，但(dan)是(shi)該公司(si)(si)由(you)于某些(xie)原因在商業上失敗了(le)，然(ran)而他(ta)們卻(que)發現類似(si)太陽能的(de)技術(shu)卻(que)可以生產(chan)更高(gao)價值的(de)鉆石。因此，自2012年開(kai)始(shi)(shi)，該團隊(dui)開(kai)始(shi)(shi)設計生長鉆石的(de)等(deng)離子體(ti)反應器(qi)，2014年啟動了(le)第(di)(di)一(yi)(yi)個(ge)等(deng)離子體(ti)反應器(qi)。2015年他(ta)們生產(chan)出(chu)了(le)第(di)(di)一(yi)(yi)顆單晶(jing)鉆石。2016年他(ta)們的(de)鉆石開(kai)始(shi)(shi)大量生產(chan)，被(bei)消費(fei)者搶售一(yi)(yi)空(kong)。事實(shi)(shi)證明(ming)，鉆石確(que)實(shi)(shi)是(shi)一(yi)(yi)門好生意，很快該公司(si)(si)就實(shi)(shi)現了(le)盈利。

他們開始制造越來越大的(de)鉆(zhan)石(shi)，并開始追求半導(dao)體晶圓大小的(de)鉆(zhan)石(shi)。2023年10月，他們成功(gong)制造出了(le)世界上第一塊單(dan)晶鉆(zhan)石(shi)晶圓，直徑100毫米、重110克拉。

這不是易事，長期以(yi)來，生產晶(jing)圓大小(xiao)的單(dan)晶(jing)鉆(zhan)石(shi)一直是難(nan)以(yi)實現的技(ji)(ji)術(shu)圣杯。單(dan)晶(jing)鉆(zhan)石(shi)的制(zhi)(zhi)造過程一直受到兩(liang)大技(ji)(ji)術(shu)挑戰的制(zhi)(zhi)約：

一方面(mian)，使用傳統的(de)高壓(ya)高溫(HPHT)技(ji)術培育大尺寸單(dan)晶(jing)鉆石所需承(cheng)受(shou)的(de)壓(ya)力遠超任(ren)何(he)已知材料(liao)的(de)極限(xian);

另一方面，按照單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)材料(liao)(liao)生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)基本原(yuan)(yuan)則：在生長(chang)(chang)單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)材料(liao)(liao)時，通常需(xu)要一個(ge)(ge)(ge)已有的(de)(de)(de)同(tong)種材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)作(zuo)為“種子(zi)(zi)”，這(zhe)個(ge)(ge)(ge)種子(zi)(zi)會指導新添加的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)在何處正確地(di)定位自己，以保(bao)持(chi)原(yuan)(yuan)有的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)結(jie)構(gou)不變。簡(jian)單(dan)(dan)(dan)(dan)來(lai)說，就像是在已有的(de)(de)(de)秩序(xu)(xu)(xu)排列(lie)的(de)(de)(de)隊列(lie)中加入新成員，如(ru)果沒(mei)有一個(ge)(ge)(ge)明確的(de)(de)(de)示范，新來(lai)的(de)(de)(de)成員就不會知道如(ru)何加入隊列(lie)以保(bao)持(chi)隊列(lie)的(de)(de)(de)整齊(qi)。在單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)情況下，這(zhe)種“隊列(lie)”的(de)(de)(de)秩序(xu)(xu)(xu)是原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)排列(lie)的(de)(de)(de)規(gui)則性和(he)周期性，也就是晶(jing)(jing)(jing)格結(jie)構(gou)。如(ru)果沒(mei)有一個(ge)(ge)(ge)模板來(lai)指導這(zhe)種秩序(xu)(xu)(xu)的(de)(de)(de)創(chuang)建(jian)，那么新增加的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)就無法形成所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)結(jie)構(gou)，可(ke)能(neng)會導致多(duo)晶(jing)(jing)(jing)或非晶(jing)(jing)(jing)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)形成，這(zhe)些結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)性質(zhi)與單(dan)(dan)(dan)(dan)晶(jing)(jing)(jing)大(da)不相(xiang)同(tong)。

因(yin)此(ci)，要想采用薄(bo)膜原子(zi)分層技術制造(zao)鉆石(shi)則需要一(yi)個與晶圓(yuan)同樣大(da)小的基體來指(zhi)導原子(zi)沉積，但世界上(shang)并不存在晶圓(yuan)大(da)小的鉆石(shi)，必(bi)須(xu)要弄清楚如何(he)制造(zao)第一(yi)個用于生(sheng)產更多(duo)晶圓(yuan)的“母(mu)”晶圓(yuan)。

DF公司首先(xian)采(cai)用了一種稱為(wei)鉆(zhan)石(shi)晶(jing)圓異質外延的極其復雜的技術，據(ju)其官網的描(miao)述：“我們(men)制(zhi)(zhi)造(zao)的設備能夠精確控制(zhi)(zhi)十(shi)個(ge)原子層(ceng)如(ru)何撞(zhuang)擊硅晶(jing)片(pian)上(shang)銥和(he)釔(yi)穩定(ding)氧化(hua)鋯的納(na)米級特殊(shu)夾層(ceng)，我們(men)設法讓前十(shi)個(ge)原子誤以為(wei)底部有單晶(jing)鉆(zhan)石(shi)，而實際上(shang)并沒有，從而為(wei)后續單晶(jing)鉆(zhan)石(shi)的制(zhi)(zhi)造(zao)奠定(ding)了基礎。”

然(ran)后在其等離子(zi)體(ti)設備(bei)中利用(yong)晶(jing)錠生(sheng)長反應堆技術，嚴格控制鉆(zhan)石單(dan)晶(jing)的(de)(de)生(sheng)長過(guo)程。據悉(xi)，他們為(wei)生(sheng)產(chan)的(de)(de)每克(ke)拉鉆(zhan)石收集超過(guo)10億個(ge)數據點，在生(sheng)長過(guo)程中動態調整(zheng)這些(xie)參數。

實現單晶(jing)鉆(zhan)石晶(jing)片(pian)的(de)挑戰并不止于制(zhi)造出晶(jing)圓(yuan)大小的(de)母晶(jing)。接下來的(de)挑戰是如何切(qie)(qie)割地球上最堅(jian)硬的(de)材料。他(ta)們為此又(you)開發了晶(jing)圓(yuan)切(qie)(qie)割機，用來將(jiang)單晶(jing)鉆(zhan)石錠切(qie)(qie)割成薄片(pian)。

接下來就(jiu)是(shi)要對切割下來的(de)薄(bo)片進行(xing)表面拋光。為(wei)了能(neng)夠嵌入(ru)原子尺(chi)寸的(de)晶(jing)體管，鉆石晶(jing)圓(yuan)片也必須(xu)要滿足現在半導體晶(jing)圓(yuan)的(de)表明要求。

為了能將他們(men)制造的鉆(zhan)石晶(jing)圓(yuan)應(ying)用(yong)到半導體行業當(dang)中(zhong)去，DF公司又開發了芯(xin)片(pian)鍵合技(ji)術。能與當(dang)今(jin)眾多的大功率(lv)硅芯(xin)片(pian)、SiC功率(lv)芯(xin)片(pian)以及GaN通信芯(xin)片(pian)直接進(jin)行原(yuan)子化連接。為更多的應(ying)用(yong)帶來無限的潛力。

可以說，DF這家公司以其(qi)革命性的(de)(de)技術，已經(jing)打通(tong)了(le)鉆石(shi)材料在半導(dao)體行業(ye)應用的(de)(de)全流(liu)程。接(jie)下(xia)來就看(kan)其(qi)在各(ge)應用當中(zhong)的(de)(de)潛力了(le)。

鉆石，要革芯片散熱的“命”

在(zai)當(dang)下人工智能、云計(ji)算和電動汽車和無(wu)線(xian)通信等領(ling)域，復雜的(de)(de)(de)(de)芯(xin)片設計(ji)使(shi)得(de)熱(re)(re)(re)管理成(cheng)為(wei)一大(da)挑戰，尤其(qi)是在(zai)高(gao)性能計(ji)算任(ren)務中，這(zhe)種熱(re)(re)(re)量(liang)的(de)(de)(de)(de)產生尤為(wei)顯著(zhu)。如果熱(re)(re)(re)量(liang)不(bu)能有效散(san)發(fa)(fa)，會(hui)在(zai)芯(xin)片上形成(cheng)“熱(re)(re)(re)點(dian)”，長期存(cun)在(zai)熱(re)(re)(re)點(dian)會(hui)影響芯(xin)片的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性和壽命。但(dan)是鉆石的(de)(de)(de)(de)高(gao)熱(re)(re)(re)導率(lv)可(ke)以(yi)(yi)幫助快速均(jun)勻(yun)地(di)分散(san)這(zhe)些熱(re)(re)(re)點(dian)，并幫助芯(xin)片上產生的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)量(liang)散(san)發(fa)(fa)出去。由于熱(re)(re)(re)效率(lv)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)，芯(xin)片則(ze)可(ke)以(yi)(yi)在(zai)更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)下穩(wen)定(ding)運行而不(bu)會(hui)過熱(re)(re)(re)。這(zhe)將使(shi)得(de)芯(xin)片的(de)(de)(de)(de)處理速度可(ke)以(yi)(yi)提高(gao)，實現更(geng)快的(de)(de)(de)(de)計(ji)算速度。所以(yi)(yi)，鉆石材料(liao)最大(da)的(de)(de)(de)(de)優勢是通過使(shi)用最終的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)量(liang)散(san)發(fa)(fa)解決方案(an)來加速硅(gui)芯(xin)片的(de)(de)(de)(de)性能。

據DF描述，鉆(zhan)石晶(jing)(jing)圓在(zai)芯(xin)片(pian)內的高工(gong)作負荷(he)晶(jing)(jing)體管的原(yuan)子級距離內提(ti)供一個熱量超高速通(tong)道，按照理想散(san)熱的情況(kuang)分(fen)析，能使人工(gong)智能和云計算領域(yu)的硅芯(xin)片(pian)速度提(ti)升3倍。按照他(ta)們(men)(men)所剖出的原(yuan)理圖，他(ta)們(men)(men)將原(yuan)本被動硅的部分(fen)替換(huan)成為鉆(zhan)石，使用鉆(zhan)石基板作為熱導層(ceng)(ceng)，在(zai)晶(jing)(jing)體管工(gong)作產生熱量時，熱量可以更快速、更有效率(lv)地從活躍硅層(ceng)(ceng)傳遞到銅層(ceng)(ceng)并(bing)散(san)發出去。

芯片散熱的原理：熱量從活躍硅(gui)層(ceng)(ceng)產(chan)生，需要通過被(bei)動硅(gui)層(ceng)(ceng)傳導到銅層(ceng)(ceng)，然后散發出去(圖(tu)源：DF公司)

在電動(dong)汽車(che)領域，逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)(qi)是(shi)核(he)心之一(yi)(yi)。目前(qian)電動(dong)汽車(che)的(de)(de)代表特斯拉的(de)(de)Tesla 3逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)(qi)可以說是(shi)業(ye)界最小(xiao)型的(de)(de)逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)(qi)，但(dan)是(shi)基于鉆石晶圓的(de)(de)導熱(re)性和(he)電絕緣性的(de)(de)極端特性使(shi)得新穎(ying)的(de)(de)架構能夠從根本上推進(jin)小(xiao)型化、效率和(he)魯棒性。據DF公司稱，他(ta)們(men)所打造的(de)(de)新型逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)(qi)比Tesla 3的(de)(de)逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)(qi)尺寸縮小(xiao)六倍(bei)(如下圖所示)，而(er)且還超越了其性能和(he)效率。第一(yi)(yi)批DF Perseus原型已經在一(yi)(yi)級汽車(che) OEM 實驗(yan)室中完成并成功進(jin)行了測試。

我們都知(zhi)道，GaN在高(gao)效(xiao)無(wu)線(xian)通信領域的應用(yong)越來越重要，如果將鉆石(shi)與GaN結合使用(yong)，使用(yong)鉆石(shi)晶圓的GaN MOSFET能夠達到非(fei)鉆石(shi)GaN設(she)備(bei)的三倍功(gong)率密度。這是因為鉆石(shi)基底能顯著提高(gao)散(san)熱(re)效(xiao)率，降低因高(gao)功(gong)率運作而(er)產(chan)生(sheng)的熱(re)應力(li)。此外，通過在設(she)備(bei)中(zhong)將GaN原子與DF單晶鉆石(shi)互連，不僅增強了(le)(le)其熱(re)傳導效(xiao)率，還大幅提高(gao)了(le)(le)整個設(she)備(bei)的可靠性和(he)穩定(ding)性。

結語

綜上(shang)所述，鉆(zhan)(zhan)石(shi)材料的(de)(de)(de)(de)采用很可能(neng)會成(cheng)為當今高性能(neng)計算應用領域(yu)技術進步的(de)(de)(de)(de)一個重要(yao)推動(dong)力。然而，面臨的(de)(de)(de)(de)挑戰同樣不(bu)容小覷(qu)，尤其是(shi)成(cheng)本問題——“鉆(zhan)(zhan)石(shi)”二字往往讓人(ren)聯想(xiang)到高昂的(de)(de)(de)(de)價值(zhi)。不(bu)過，我(wo)們可以從SiC材料的(de)(de)(de)(de)發展歷程(cheng)中(zhong)汲取(qu)啟示。早期，SiC的(de)(de)(de)(de)成(cheng)本和良率問題確(que)實使得許多(duo)(duo)產(chan)業望而卻步，但隨著(zhu)時間的(de)(de)(de)(de)推移，憑借業內多(duo)(duo)家企業和專家的(de)(de)(de)(de)持續努力，SiC技術的(de)(de)(de)(de)成(cheng)熟(shu)進展速度已經取(qu)得令人(ren)矚目的(de)(de)(de)(de)成(cheng)果。類似的(de)(de)(de)(de)努力也在(zai)日(ri)本針對鉆(zhan)(zhan)石(shi)量產(chan)技術的(de)(de)(de)(de)研究中(zhong)體現。我(wo)們有理由相信，在(zai)眾多(duo)(duo)行業共(gong)同推動(dong)下，鉆(zhan)(zhan)石(shi)材料將為我(wo)們的(de)(de)(de)(de)科技生活(huo)帶(dai)來深遠的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。