金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化漸行漸近？
集微網(wǎng)報道 （文/陳炳欣）前段時間，一則華為在金剛石材料布局專利的消息引起關(guān)注——華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公布，使得金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體材料成為新的行業(yè)熱點。相關(guān)題材的上市公司股價也一度隨之上漲。人們關(guān)注金剛石作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程是否已經(jīng)臨近？
“*半導(dǎo)體”材料展現(xiàn)新的可能性
企查查專利摘要顯示，該發(fā)明涉及芯片制造技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，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。該發(fā)明實現(xiàn)了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎(chǔ)的硅/金剛石三維異質(zhì)集成。
當(dāng)前，金剛石的市場應(yīng)用大致可分成三個方向，一是可以用作裝飾鉆石，相關(guān)用途人們較為熟悉；二是可以做成金剛石膜，這是一種優(yōu)質(zhì)的散熱材料；三是經(jīng)摻雜以后形成半導(dǎo)體材料。這一應(yīng)用領(lǐng)域尚處于實驗階段，但其發(fā)展前景被業(yè)界廣泛看好。據(jù)專家介紹，金剛石被視為“*半導(dǎo)體”材料，具有超寬禁帶、高導(dǎo)熱系數(shù)、高硬度的特點。但由于硬度*高，實現(xiàn)半導(dǎo)體級別的高純凈度也*為困難，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
業(yè)界一般將禁帶寬度大于2.3電子伏特（eV）的半導(dǎo)體材料稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。碳化硅是目前發(fā)展*成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，氮化鎵則緊隨其后。與此同時，業(yè)界也在積極開發(fā)新的寬禁帶半導(dǎo)體材料。金剛石具有更寬的禁帶寬度，成為國際前沿研究熱點。中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關(guān)報告顯示，金剛石半導(dǎo)體材料的禁帶寬度達(dá)5.45 eV，熱導(dǎo)率是已知半導(dǎo)體材料中*高的，因而是一種*優(yōu)勢的半導(dǎo)體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導(dǎo)體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授李成明表示，相對于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以來，*大優(yōu)勢在于更高的載流子遷移率(空穴:3800 cm2?V-1?s-1，電子:4500 cm 2?V-1?s-1) 、更高的擊穿電場(＞10 MV?cm-1 )、更大的熱導(dǎo)率( 22 W?K-1?cm-1)，其本征材料優(yōu)勢是具有自然界*高的熱導(dǎo)率以及*高的體材料遷移率，優(yōu)異的電學(xué)特性承載了人類將金剛石稱為*半導(dǎo)體的巨大期望。
華芯金通半導(dǎo)體智庫創(chuàng)始人吳全也指出，金剛石是自然界中天然存在的*堅硬的物質(zhì)，人類很早就已發(fā)現(xiàn)，其主要成分是碳元素。而碳作為元素一直是人們研究的重點�；诰w結(jié)構(gòu)及其成鍵方式的變化，碳元素形成了或可調(diào)諧成不同性質(zhì)參數(shù)的物質(zhì)或材料。如今面臨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，人類對半導(dǎo)體材料和物質(zhì)的需求進(jìn)一步泛在與放大。金剛石擁有熱導(dǎo)率*高和導(dǎo)電半導(dǎo)體性能調(diào)諧表征的特點，因此，受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱度在不斷升溫。華為是全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的*者。圍繞金剛石領(lǐng)域，華為積極專利布局，甚至產(chǎn)業(yè)布局，是順勢而為和必要之舉。
材料和器件方面均有新突破
從研發(fā)進(jìn)展情況來看，由于金剛石的性能優(yōu)勢，人們很早就開啟了對金剛石的研究。20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家開發(fā)出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。近年來隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領(lǐng)域的研發(fā)投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導(dǎo)體材料的開發(fā)。
根據(jù)專家介紹，近年來金剛石功率電子學(xué)在材料和器件方面均有新的技術(shù)突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達(dá)20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，同質(zhì)外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，*大尺寸可達(dá)1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術(shù)生長的金剛石晶圓可達(dá)2 英寸。而采用金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓可達(dá)4 英寸。如果是低成本的異質(zhì)外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發(fā)展和應(yīng)用已很活躍，晶圓已達(dá)8 英寸，已可作為導(dǎo)熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。
金剛石材料的摻雜技術(shù)是形成功率器件的基礎(chǔ)，一直也是研究的熱點。由于金剛石的密排結(jié)構(gòu)與小間隙。傳統(tǒng)的元素?fù)诫s技術(shù)通常會引起金剛石嚴(yán)重的晶格畸變，并導(dǎo)致深能級摻雜，室溫載流子激活困難。因此過去20多年來，N 型摻雜技術(shù)一直被認(rèn)為是一個難點。近期相關(guān)報道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進(jìn)展，摻雜濃度達(dá)1020 cm-3。
金剛石器件方面的研究也有諸多進(jìn)展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實驗應(yīng)用，金剛石MOSFET 和氫終端射頻FET 的研究明顯加快，4 英寸多晶金剛石上的GaN HEMT 獲得突破性進(jìn)展。從材料生長、器件結(jié)構(gòu)、器件工藝等方面，金剛石的研發(fā)都有很大的進(jìn)展，這為金剛石早日得到真正市場應(yīng)用開啟了新的契機。
硬度、導(dǎo)熱等材料屬性拔高產(chǎn)業(yè)化難度
盡管未來前景廣闊，目前金剛石仍處于基礎(chǔ)研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學(xué)問題尚需攻克。對此，吳全就指出，從實驗室研究到生產(chǎn)制造來講，金剛石與其他半導(dǎo)體的程序性流程并無太大差異。就“一代材料，一代工具，一代設(shè)備，一代工藝，一代器件，一代產(chǎn)品、一代系統(tǒng)”的通常延展式研究和開發(fā)鏈條來講，金剛石的材料屬性，尤其是硬度、導(dǎo)熱、寬帶隙的特征，拔高了各個環(huán)節(jié)的難度和門檻。如，長晶時間長、晶圓尺寸尚小、切割難度尚大，以及由此引發(fā)的成本偏高，諸如系列因素致使金剛石在全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于前期預(yù)研或產(chǎn)業(yè)化的早期階段。
“我國在金剛石的產(chǎn)業(yè)化上擁有很好的基礎(chǔ)與優(yōu)勢，擁有全球金剛石行業(yè)規(guī)則制定及產(chǎn)品定價的話語權(quán)，金剛石單晶、微粉和制造的市場占有率超過90%，制作成砂輪、切割線、刀具等多種形態(tài)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于下游石油鉆探、石材切割、光伏切割等市場，使用范圍廣、應(yīng)用場景多，也出現(xiàn)了如惠豐鉆石、黃河旋風(fēng)、岱勒新材和美暢股份等若干家金剛石相關(guān)的上市公司。下一步的發(fā)展重點，更多在半導(dǎo)體領(lǐng)域。國內(nèi)廠家對發(fā)揮金剛石電子電力即半導(dǎo)體性能的認(rèn)識上，與國際基本同步。但受限于國內(nèi)半導(dǎo)體工具、裝備及其工藝水平的爬坡，或者說與國外的差距，我們在這塊尚未形成突破或優(yōu)勢，瓶頸仍在半導(dǎo)體范疇�！眳侨硎�。
相關(guān)行業(yè)專家也指出，未來金剛石材料和功率器件的發(fā)展重點應(yīng)集中在幾個方向：首先是要開發(fā)出滿足功率半導(dǎo)體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術(shù)。特別是應(yīng)重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術(shù)，材料質(zhì)量可以滿足金剛石功率器件研發(fā)的需求。其次是在高質(zhì)量金剛石N型摻雜技術(shù)方面進(jìn)一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎(chǔ)。第三是掌握金剛石器件研制的核心關(guān)鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件,提高穩(wěn)定性。開展金剛石材料和器件關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，并實現(xiàn)商業(yè)化。
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