鉆石，顛覆傳統(tǒng)芯片

作者：九林

“鉆石恒永久，一顆永流傳?！边@一句廣告詞，引起了諸多女人的瘋狂，也讓鉆石成為了昂貴的愛情代表。

最近，“鉆石”也開始走入半導(dǎo)體，華為和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》被公開，引起了業(yè)內(nèi)的“瘋狂”。這金剛石，指的就是還未經(jīng)打磨的鉆石原石。

“鉆石”芯片，究竟有何種魅力？

?01、華為的“鉆石”專利

如前文所述，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請的一項專利，這項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(shù)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(jié)合，充分利用硅基半導(dǎo)體和金剛石的不同優(yōu)勢。

來源：華為與哈爾濱大學(xué)提交《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》專利

硅基半導(dǎo)體的優(yōu)勢不用多說，有成熟的工藝及產(chǎn)線、生產(chǎn)效率高并且成本較低。金剛石則是已知天然物質(zhì)中熱導(dǎo)率最高的材料，室溫下金剛石的熱導(dǎo)率高達2000Wm?1K?1，同時金剛石是寬禁帶半導(dǎo)體，具備擊穿場強高、載流子遷移率高、抗輻照等優(yōu)點，在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。

在專利書中提及，本次結(jié)合利用的就是金剛石極高的發(fā)展?jié)摿?，想要為三維集成的硅基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。

受到華為專利的影響，當(dāng)天國內(nèi)A股培育鉆石概念板塊猛漲。實際上，引發(fā)半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)“瘋狂”的“鉆石”芯片在國際上并非只有華為一家。近年來，“鉆石”芯片的研發(fā)消息頻頻傳來。

?02、抓住“鉆石芯片”

國際上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)的工程師創(chuàng)立的企業(yè)在金剛石晶片方面的進展。

這家企業(yè)的名字叫做Diamond Foundry，企業(yè)主要的研究方向也是金剛石方向。從官網(wǎng)上來看，這家企業(yè)希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制人工智能、云計算芯片、電動汽車電力電子器件和無線通信芯片的熱挑戰(zhàn)。

今年10月份Diamond Foundry培育出了世界上第一個單晶金剛石晶片，具體的數(shù)據(jù)上，這個金剛石晶片直徑100毫米、重量100克拉。

Diamond Foundry在接受采訪時表示，已經(jīng)可以在反應(yīng)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(dǎo)并釋放芯片所產(chǎn)生的熱量。

怎么一同使用呢？Diamond Foundry 開發(fā)了一套技術(shù)，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(dǎo)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。

熱量情況對比 來源：Diamond Foundry

按照其首席執(zhí)行官Martin Roscheisen的說法，這可以使得芯片的運行速度至少是額定速度的兩倍，并且Diamond Foundry工程師在英偉達最強大的芯片之一上使用這種方法，在實驗條件下甚至能夠?qū)⑵漕~定的速度增加到三倍。

同時，Diamond Foundry公司的官方計劃中還表示，希望能夠在2023年后，引入單金剛石晶片，并在每個芯片后面放置一顆金剛石；在2033年前后，將金剛石引入半導(dǎo)體。

美國不止這一家企業(yè)在推動“鉆石”芯片的產(chǎn)業(yè)化。美國的AKHAN、阿貢國家實驗室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。其中，AKHAN公司專門從事實驗室制造合成電子級金剛石材料，在2021年時，他們宣布能夠制造300mm互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 金剛石晶圓。

稍早一些消息的還來自日本，依據(jù)已經(jīng)宣布的研究成果來看，日本對于金剛石芯片的產(chǎn)業(yè)化探索更加全面。

從去年開始，日本生成了可用于量子計算項目純度的金剛石晶圓；再到今年年初，日本校企合作，研發(fā)了一個金剛石制成的功率半導(dǎo)體；到今年8月，日本千葉大學(xué)科研團隊提出關(guān)于“毫不費力地切割”金剛石的方法。從種種動向來看，日本對于金剛石芯片的研究也是比較重視的。

我們分別來看看日本這三個關(guān)于“鉆石”芯片的研究。

去年4月，日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐賀大學(xué)聯(lián)合宣布，已經(jīng)于4月19日成功實現(xiàn)“鉆石”晶圓量產(chǎn)，這種“鉆石”晶圓的純度是可以用在量子計算機、量子存儲器和量子傳感設(shè)備中。

這里日本解決的是如何實現(xiàn)少氮含量，更大尺寸金剛石的生成。在此之前，能夠達到量子應(yīng)用的超高純度金剛石是只有4mm×4mm的晶體，而這次日本生成了直徑2英寸（大概55mm）的晶體。

實際上，從生成的方式來看，之前市場往往利用氮氣適合大規(guī)模生產(chǎn)的高生長速率，但這也會留下幾ppm（百萬分之一）的氮雜質(zhì)。通過技術(shù)方式的改進，目前可以實現(xiàn)生產(chǎn)氮含量不超過3 ppb的超高純度2英寸金剛石。

Adamant Namiki 表示：“理論上，一塊2英寸的金剛石晶圓可以提供足夠的量子存儲器來記錄10億張藍光光盤，這相當(dāng)于一天內(nèi)分布在全球的所有移動數(shù)據(jù)?！?/p>

2022年宣布這個消息時，Adamant Namiki Precision Jewelry還表示計劃2023 年將 Kenzan 鉆石晶片商業(yè)化，并且公司已經(jīng)開始開發(fā) 4 英寸鉆石晶片。不過，到了現(xiàn)在（2023年年底）該公司的4英寸鉆石晶片，還沒有傳來新的消息。

年初，同樣是日本，佐賀大學(xué)的教授和日本精密零部件制造商Orbray，合作開發(fā)了一個金剛石制成的功率半導(dǎo)體。這個功率半導(dǎo)體可以以1平方厘米875兆瓦的電力運行，在金剛石半導(dǎo)體中，輸出功率值為全球最高，在所有半導(dǎo)體中也僅次于氮化鎵產(chǎn)品。

這個技術(shù)的實現(xiàn)主要利用金剛石的高耐壓性。采用向金剛石基板吹送二氧化氮氣體的方式，使得金剛石基板具備半導(dǎo)體的性質(zhì)。再通過用氧化鋁膜進行保護，特殊的研磨方法將基板表面磨平，設(shè)法降低了電阻，最終實現(xiàn)了高性能半導(dǎo)體器件。

今年8月，日本的千葉大學(xué)科研團隊提出了一種新的激光技術(shù)可以沿著最佳晶體平面“毫不費力地切割”鉆石。

千葉大學(xué)的 Hirofumi Hidai 教授和他的團隊提出了解決該問題的方案：基于激光的切割工藝，可以干凈地切割鉆石而不破壞鉆石。研究人員表示，新技術(shù)通過將短激光脈沖聚焦到材料內(nèi)狹窄的錐形體積上，防止激光切割過程中不良裂紋的傳播。

千葉大學(xué)科研團隊切割方式激光脈沖將金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏容^低的無定形碳，用激光照射的區(qū)域會出現(xiàn)密度降低和裂紋形成的情況。據(jù)介紹，研究人員創(chuàng)建了一個網(wǎng)格狀圖案來引導(dǎo)裂紋沿著指定的切割路徑傳播，同時使用鋒利的鎢針“輕松”地將光滑的晶片與金剛石塊的其余部分分開。

千葉大學(xué)表示，這項新提出的技術(shù)可能是將鉆石轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑m合未來更高效技術(shù)的半導(dǎo)體材料”的關(guān)鍵一步。Hidai教授表示，用激光切割鉆石“能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓”，并且對于制造鉆石半導(dǎo)體器件是必不可少的。

?03、“鉆石芯片”恒永久，如何永流傳？

談了這么多國際和國內(nèi)的研究情況，我們已經(jīng)可以大概了解金剛石特點，以及為什么會用在半導(dǎo)體領(lǐng)域了。其實主要利用金剛石的三大屬性。

第一，高熱導(dǎo)率。金剛石是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化鎵（GaAs）大43倍，是銅和銀的4~5倍。這就能解決目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遇到的一個問題——散熱。

目前，對于芯片性能的限制有一方面實際上是溫度，對于大部分硅制的芯片來說，一旦運行溫度超過105攝氏度，那么芯片就會變得不可靠。在很多日常生活中都能夠感受到芯片的發(fā)熱，一臺使用很久的筆記本，放在腿上會發(fā)現(xiàn)底板在發(fā)燙、風(fēng)扇在瘋狂旋轉(zhuǎn)而筆記本的運行速度下降。

這些熱量從哪里來，可以拿CPU舉例。一個CPU是由數(shù)億個晶體管組成的，電流通過連接CPU中的微原件會產(chǎn)生熱量，這被稱為“焦耳熱”，之后電流通過PN結(jié)的時候釋放熱量。這個熱量通常和頻率成正比，和電流的平方程成正比。因此，電腦的運算越快，處理器的工作量越大，那么產(chǎn)生的熱量就越多。

麻省理工學(xué)院納米工程實驗室主任Gang Chen給出了具體數(shù)據(jù)：“當(dāng)今，高性能芯片的功耗約為每平方厘米100瓦，這些因為芯片運行所產(chǎn)生的能量最終都轉(zhuǎn)化為了熱量，并且熱量必須散發(fā)出去?！?/p>

上文提到的華為金剛石專利，在專利申請中華為也解釋到：“隨著集成密度不斷升高以及特征尺寸不斷縮小，電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰(zhàn)。芯片內(nèi)部熱積累難以向封裝表層散熱片傳遞，導(dǎo)致內(nèi)部節(jié)溫突升，嚴重威脅芯片性能、穩(wěn)定性和使用壽命?！比A為專利主要就是利用金剛石的高散熱性。

第二，5.5eV的禁帶寬度。金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上。

優(yōu)秀的禁帶寬度也使得金剛石擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)。甚至被稱為“終極半導(dǎo)體”。前文中，日本開發(fā)的金剛石功率半導(dǎo)體利用的就是這一特性。

同時，需要注意，在2022年，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）發(fā)布公告，稱出于國家安全考慮，將四項“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”納入新的出口管制，其中之一就是能承受高溫高電壓的第四代半導(dǎo)體材料金剛石。

第三，金剛石的特殊的能量結(jié)構(gòu)。這個特性主要是關(guān)于金剛石用在量子存儲中。與傳統(tǒng)的存儲器相比，金剛石量子存儲器能將光子轉(zhuǎn)換成金剛石中碳原子的特定振動，適用于許多不同顏色光的這種轉(zhuǎn)換，將允許對光進行廣譜操縱。金剛石的能量結(jié)構(gòu)允許其以很低的噪聲在室溫下實現(xiàn)。從理論上來說，金剛石半導(dǎo)體在室溫下工作，性能最高。前文提到日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐賀大學(xué)研發(fā)出的可以用于量子計算機存儲器的金剛石晶圓，主要希望利用這一特性。

總而言之，金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，如高熱導(dǎo)率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學(xué)透過性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等。未來，隨著制造技術(shù)的進步和對金剛石的更深入研究，金剛石可能會成為制造高效、穩(wěn)定、耐用的芯片的關(guān)鍵材料。

這時候，金剛石就將真正成為讓半導(dǎo)體業(yè)界“瘋狂的石頭”。