近日，總部位于加利福尼亞州舊金山的Diamond Foundry Inc宣布制造出了世界上第一塊直徑為100毫米的單晶金剛石晶圓。

該公司計(jì)劃提供金剛石基板作為改善熱性能的途徑，這反過(guò)來(lái)又可以改善人工智能計(jì)算和無(wú)線通信以及更小的電力電子設(shè)備。

該公司使用一種稱為異質(zhì)外延的工藝來(lái)沉積碳原子，并在可擴(kuò)展的基底上制造單晶金剛石。以前已經(jīng)生產(chǎn)過(guò)金剛石晶片，但它是基于壓縮金剛石粉末，缺乏單晶金剛石的特性。

Diamond Foundry 表示，其下一個(gè)目標(biāo)是降低金剛石晶圓的缺陷密度，以實(shí)現(xiàn)比Si高 17,200倍、比SiC高60倍的品質(zhì)因數(shù)。

目前，Diamond Foundry在華盛頓州經(jīng)營(yíng)一家鉆石和晶圓生產(chǎn)工廠。

據(jù)悉，該公司成立于2012年，業(yè)務(wù)涉及珠寶和奢侈品市場(chǎng)以及半導(dǎo)體行業(yè)。該公司在其 Linkedin 網(wǎng)站上表示，已獲得 5.15 億美元的融資，并正在執(zhí)行一項(xiàng)數(shù)十億美元的擴(kuò)張計(jì)劃，利用零排放能源將溫室氣體轉(zhuǎn)化為金剛石Si片。

據(jù)他們所說(shuō)，公司可以通過(guò)將金剛石以原子方式粘合到以埃級(jí)精度減薄的集成電路 (IC) 晶圓上，實(shí)現(xiàn)了最終的熱芯片封裝。


突破尺寸的限制

金剛石單晶是終極半導(dǎo)體材料。它結(jié)合了出色的結(jié)晶度、極高的擊穿電壓、出色的電學(xué)性能和極高的導(dǎo)熱系數(shù)。

限制當(dāng)前金剛石襯底尺寸的是高溫高壓生長(zhǎng)中使用的砧座的尺寸。我們用我們的異質(zhì)外延方法避免了這個(gè)問(wèn)題，包括在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)金剛石。經(jīng)過(guò)對(duì)硅、碳化硅、碳化鈦、鎳、鉑、鈷和銥作為潛在襯底的研究，我們發(fā)現(xiàn)銥是最好的襯底。它是具有最高形核密度的元素，超過(guò)1108 cm-2。遺憾的是，由于沒(méi)有大表面積的單晶Ir襯底，因此人們研究了Ir-On-MgO、YSZ-on-Si和STO-on-Si等材料體系。

對(duì)這些復(fù)合材料的生長(zhǎng)研究表明，根據(jù)X射線衍射，最好的金剛石材料質(zhì)量來(lái)自于在Ir-on-MgO復(fù)合材料上的生長(zhǎng)。該平臺(tái)在(004)和(311)面上分別產(chǎn)生了281弧秒和534弧秒的衍射峰的半峰寬。(004)半峰寬體現(xiàn)了傾斜成分，而(311)半峰寬揭示了扭轉(zhuǎn)成分。

為了提高晶體結(jié)晶質(zhì)量，我們?cè)谏L(zhǎng)的早期階段引入了金剛石微圖案和微針。這些微圖案導(dǎo)致外延橫向生長(zhǎng)，從而降低了位錯(cuò)密度；而微針釋放異質(zhì)外延應(yīng)變，導(dǎo)致自然分層，從而產(chǎn)生沒(méi)有裂紋的自支撐金剛石晶體。

藍(lán)寶石以其高質(zhì)量、低成本和相對(duì)較大尺寸的可獲得性而聞名，這些特性導(dǎo)致它被用作生長(zhǎng)氮化物的襯底材料。由于這些優(yōu)勢(shì)，我們采用它來(lái)生長(zhǎng)金剛石，而Ir提供了一個(gè)中間層。從熱膨脹系數(shù)的角度來(lái)看，藍(lán)寶石的a軸和c軸分別為4.210-6 K-1和5.310-6 K-1，高于金剛石的1.510-6 K-1，但仍遠(yuǎn)低于氧化鎂的12.810-6 K-1。

在過(guò)去的三十年里，常見(jiàn)的寬帶隙材料的可用襯底尺寸一直在增加。我們?yōu)樽约涸O(shè)定的目標(biāo)是在2025年生產(chǎn)4英寸的金剛石襯底，在2030年生產(chǎn)8英寸的襯底。在直徑增加的同時(shí)，如果金剛石襯底廣泛應(yīng)用，就必須降低成本。

高昂的生產(chǎn)成本主要是因?yàn)閽伖饨饎偸南嚓P(guān)費(fèi)用，金剛石是一種非常堅(jiān)硬的材料。雖然沒(méi)有討論拋光技術(shù)的細(xì)節(jié)，但我們相信會(huì)有削減成本的進(jìn)步空間。到2030年，我們打算以與目前可用的2英寸GaN襯底相同的價(jià)格生產(chǎn)2英寸金剛石襯底。

國(guó)內(nèi)金剛石半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石作為一種硬度極高的材料，最早人工制備的用途主要在刀具、鉆頭、磨具、線鋸、鋸片、拉絲模等工業(yè)加工耗材上。實(shí)際上，自1963年成功研制出第一顆人造金剛石后，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，目前中國(guó)已經(jīng)是世界上人造金剛石產(chǎn)量最高的國(guó)家，占全球總產(chǎn)量90%以上。

不過(guò)中國(guó)金剛石產(chǎn)業(yè)主要集中在中低端應(yīng)用市場(chǎng)，就像前面提到的工業(yè)加工領(lǐng)域。當(dāng)然，在珠寶領(lǐng)域的人造鉆石市場(chǎng)也在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，但在功能性應(yīng)用的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)對(duì)金剛石材料的開(kāi)發(fā)則較為落后。

西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院副院長(zhǎng)王東曾在報(bào)告中提到，國(guó)內(nèi)金剛石發(fā)展大而不強(qiáng)，在高端裝備、電子級(jí)材料等眾多領(lǐng)域處于落后。在CVD金剛石研究領(lǐng)域，從專利分布來(lái)看，美國(guó)、歐洲、日本的研究處于領(lǐng)先地位，我國(guó)發(fā)展相對(duì)緩慢，原創(chuàng)性研究偏少。

在“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，國(guó)內(nèi)拼接外延大尺寸金剛石單晶已經(jīng)達(dá)到國(guó)際并跑的水平；在異質(zhì)外延單晶方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)取得開(kāi)創(chuàng)性進(jìn)展，但尺寸和質(zhì)量仍存在較大差距，計(jì)劃“十四五”實(shí)現(xiàn)追趕或超越。

其中，半導(dǎo)體應(yīng)用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級(jí)、探測(cè)器級(jí)單晶至今仍是英國(guó)元素六公司的壟斷產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導(dǎo)體，市場(chǎng)格局仍遠(yuǎn)未形成壟斷，在半導(dǎo)體領(lǐng)域商業(yè)化仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，因此未來(lái)仍有很大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。