金刚石芯片技术:加速发展的未来半导体革命

科技   2024-11-07 15:38   上海  


当今时代,半导体行业正处于一个转型的关键时期,以硅为主导的半导体领域面临着高功率密度、高频、高温、高辐射等条件瓶颈;第三代半导体顺势而起,以GaN和SiC为代表的新材料的发展推动着功率器件不断向大功率、小型化、集成化和多功能方向前进,但散热、能效等关键特性依旧是业界矢志不渝的追求方向。

在追求极致性能与效率的时代,一场由金刚石引领的芯片革命正悄然兴起。

金刚石,指的就是还未经打磨的钻石原石。那么,作为一种闯入了大家视线中的新半导体材料,“钻石”芯片究竟有何魅力?无限可能背后,进展与挑战并存。




“钻石”芯片,魅力何在?


被誉为“自然界最坚硬物质”的金刚石,不仅硬度惊人,还拥有卓越的导热性能、极高的电子迁移率,拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数,以及其他优异的物理特性。

具体来看,金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV)、高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(2000W/m·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。

此外,金刚石拥有优异的物理特性,在光学领域具有良好透光性和折射率,适用于光电器件的研发;电学方面,其绝缘性能和介电常数使其在复杂电路中发挥稳定作用;机械性能方面,高强度和耐磨性确保芯片能够承受极端工作条件。

这些特性使得金刚石在芯片制造领域展现出巨大潜力,常被用于高功率密度、高频率电子器件的散热。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。金刚石半导体被认为是极具前景的新型半导体材料,被业界誉为“终极半导体材料”。

通过使用金刚石电子器件,不仅可以减轻传统半导体的热管理需求,而且这些设备的能源效率更高,并且可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。

例如,在电动汽车中,基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间;在电信领域,尤其是在5G及更高级别网络的部署中,对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能,支持下一代通信系统,包括射频开关、放大器和发射器;消费电子领域,单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发,从而带来新的产品创新并提高消费电子市场的整体性能。

据市场调研机构Virtuemarket数据指出,2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元,预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024-2030年的预测复合年增长率为12.3%。特性优势和广阔前景驱动下,金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工,再到BDD电极及量子科技应用,金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域,推动技术创新与产业升级。




产业化进程的加速推进


全球范围内,对金刚石半导体的研发和产业化工作正在如火如荼地进行。从Element Six赢得UWBGS项目,到华为积极布局金刚石半导体技术;从Diamond Foundry培育出全球首个单晶金刚石晶圆,到Advent Diamond在金刚石掺磷技术上的突破;再到法国Diamfab计划在2025年实现4英寸金刚石晶圆的量产,以及日本、美国、韩国等国家的全面发力,金刚石半导体的产业化进程正以前所未有的速度向前推进。

这些企业和研究机构的努力,不仅推动了金刚石半导体技术的不断成熟,还促进了相关产业链的完善。从原材料供应、晶圆制备、器件设计到封装测试,金刚石半导体产业链正在逐步形成,为未来的大规模应用奠定了坚实的基础。

从种种动向来看,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。

总之,金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性,如高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等。目前业界正在向金刚石进一步迈进,并逐步进入金刚石多功能发展的转型时期。

未来,随着大尺寸、高质量以及大范围、高灵活度的金刚石沉积技术的逐步开发,有望使大规模集成电路和高速集成电路的发展进入一个新时代。



写在最后


早在五六十年前,科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮,但时至今日,也未能大规模用上金刚石半导体所制造的器件。有工程师为此感叹,金刚石或许将永远处在半导体实用化的边缘。

诚然,金刚石在半导体领域具有显著优势,但要实现金刚石芯片的大规模生产和应用,还面临着诸多挑战和限制,例如成本高、加工难度大、掺杂等技术工艺不成熟以及应用范围有限等问题。

尽管这一材料还有不少路要走,但已在半导体链中展现活力与应用潜力。我们相信,在各方的共同推动下,具备各种优异特性的金刚石材料在未来将会得到进一步发展,帮助半导体材料领域迈出至关重要的一步。当然,新材料最终作用并非将以硅为代表的传统材料拍死在沙滩上,而是作为一种互补,在其擅长的领域充分发挥作用。


来源:半导体行业观察




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