2024年了，“鉆石芯片”還要多久造出來？

研究不少，產品難做。

金剛石，被稱作自然界中最硬的物質。在經過打磨后，這種“普通”的碳晶體就化身為寶石級的鉆石，身價隨之倍增。

而除了裝飾外，很少有人知道金剛石其實也能用于半導體行業，在加工后變身為價格昂貴的“高端芯片”。

在材料類期刊Small近期發布的一篇文章里，提到了大阪公立大學研究小組利用金剛石為襯底，制作出了氮化鎵（GaN）晶體管。而該晶體管的散熱能力，要比傳統晶體管提高了2倍以上。

這篇文章表示，這種由晶體管不僅可以用于5G通信基站、氣象雷達、衛星通信等領域，還可以用于微波加熱、等離子體處理等領域。

但筆者在查閱相關信息后發現，早在二十年前，科學界就曾掀起研究金剛石半導體的熱潮。包括剛剛過去的2023年，有不少企業和研究機構推出類似的技術，這其實就包括華為與哈爾濱工業大學共同合作的金剛石芯片專利。

但時至今日，鉆石芯片仍未掀起多大的水花。

用鉆石造芯片，究竟有何魅力？

想制作電子元器件，就需要半導體材料。

雖然可以用作半導體的材料種類繁多，但在歷經數次材料革命后，真正做到成本與性能同時兼顧的，只有硅元素——在此基石上目前最常見的硅基半導體。

不過隨著工藝技術不斷進步，硅材料的潛力基本已被挖掘到極致，想要繼續推進半導體行業發展，就需要用特性更好的材料接續。

近些年出鏡率頗高的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC），屬于第三代半導體材料。再往后，氧化鎵、氮化鋁等第四代半導體材料，他們對比硅材料都有各自獨特的優勢。

除此以外，我們還能在看到石墨烯、碳納米管等材料被用于生產晶體管。

既然它們都屬于碳的同素異形體，那么同樣是碳元素單質同素異構體之一的金剛石，理應可以用作生產半導體。

從物理化學特性來看，金剛石確實如此。

該材料不僅硬度最高，而具有最高的熱導率、透過光譜最寬、耐磨抗輻射抗腐蝕等優秀特性。

金剛石強在哪里？

先說金剛石的高熱導率。

在大阪公立大學的研究里，提到了“由金剛石為襯底制作的氮化鎵晶體管，其散熱能力提高兩倍之多”。

目前而言，芯片制造面臨的最大基本挑戰之一便是溫度控制。對于大部分硅制的芯片來說，一旦溫度過高，那么芯片就會變得不可靠。

而金剛石恰好是一種完美的“散熱器”。在熱導率數值上，它比碳化硅大4倍，比硅大13倍，可以有效降低半導體器件運行時產生的熱量。

圖 | 熱量情況對比

在華為的金剛石專利里，提到了利用金剛石極高的發展潛力，為三維集成的硅基器件（硅基與金剛石襯底）提供散熱通道。

除了出色的散熱性能以外，金剛石擁有高達5.5eV的禁帶寬度，更適合應用于高溫、高輻射、高電壓等極端環境。

在2023年初，日本佐賀大學與日本精密零部件公司Orbray共同合作開發了一個金剛石制成的功率半導體。

他們在藍寶石襯底上生長金剛石晶片，制成2英寸的單晶圓，以此制成的功率半導體能以每平方厘米875兆瓦的功率運行，輸出功率值為全球最高，且電力損耗可減少到硅基半導體的五萬分之一。

圖 | Namiki于2022年4月制作的2英寸晶圓

除了日本公司以外，美國公司也在積極推動鉆石芯片的產業化。目前比較出名的一家美國公司名叫Diamond Foundry，他們是全球“人造鉆石”領域的明星企業。

在Diamond Foundry官方計劃里，他們開發出一套技術，可以將硅芯片與金剛石半導體襯底結合，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

這項技術與上文提到的華為專利非常類似，不過Diamond Foundry的動作更加迅速，目前已經在云計算和AI計算等芯片上進行嘗試，可以讓數據中心芯片使用一半的空間即可實現相同的性能。

讓金剛石變成芯片，比想像地難得多

隨著近些年投入“人造鉆石”的企業越來越多，人工培育鉆石已經在電信、光學、醫療保健等領域中得以廣泛應用。

在這么多有利條件下，行業仍然沒有拿得出手的芯片產品，那么問題到底出現在哪里？

原因很多，但歸根究底還是供給問題——純度高的天然金剛石供不應求，而人造金剛石又會因為工藝問題，并不適合制造半導體。

前面提到，金剛石芯片的長期的方向是作為“高端芯片”的突破口，而不是普通芯片的替代，這就要求晶圓更大。

以目前人造金剛石企業的技術水平，顯然是造不出大尺寸晶圓，更不要說達到商業化的要求。

以Diamond Foundry為例，該公司目前生產的晶圓尺寸大約為4英寸長寬、小于3毫米厚度。日本企業的晶圓尺寸更小，只有大約2英寸。

尺寸小是一方面，想要造出一顆能用的芯片，還得考慮如何提高金剛石的生長反應速度、有效切割這種堅硬的材料，并對晶圓的表面進行處理。

直到最后一步，才是將金剛石晶圓與半導體芯片結合，這中間有太多的步驟等待突破了。

因此，雖然我們能看到非常多的專利與研究，但金剛石芯片離半導體產業還有很長的道路要走，不僅僅需要降成本、擴大規模，尺寸和金剛石純度都需要考慮到位。

如果只是讓金剛石企業獨自來做這件事，那確實很有難度。

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