source：Carbontech

據(jù)報(bào)道，Diamond Foundry Europe位于西班牙特魯希略的晶圓廠計(jì)劃于2025年開始生產(chǎn)單晶金剛石芯片。該晶圓廠將采用等離子體反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石晶片。

金剛石不僅硬度驚人，還擁有卓越的導(dǎo)熱性能、極高的電子遷移率，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)，以及其他優(yōu)異的物理特性。

具體來看，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶（5.45eV）、高擊穿場強(qiáng)（10MV/cm）、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率（2000W/m·k）等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質(zhì)因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸。

此外，金剛石擁有優(yōu)異的物理特性，在光學(xué)領(lǐng)域具有良好透光性和折射率，適用于光電器件的研發(fā)；電學(xué)方面，其絕緣性能和介電常數(shù)使其在復(fù)雜電路中發(fā)揮穩(wěn)定作用；機(jī)械性能方面，高強(qiáng)度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。

這些特性使得金剛石在芯片制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，常被用于高功率密度、高頻率電子器件的散熱。金剛石半導(dǎo)體被認(rèn)為是極具前景的新型半導(dǎo)體材料，被業(yè)界譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。

全球范圍內(nèi)，對金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作正在如火如荼地進(jìn)行。從Element Six贏得UWBGS項(xiàng)目，到華為積極布局金剛石半導(dǎo)體技術(shù)，從Diamond Foundry在2022年收購德國的Audiatec公司后培育出全球首個單晶金剛石晶圓，到Advent Diamond在金剛石摻磷技術(shù)上的突破，再到法國Diamfab計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)4英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)，以及日本、美國、韓國等國家的全面發(fā)力，金剛石半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在持續(xù)向前推進(jìn)。

在國內(nèi)，啟晶科技、科之誠等金剛石晶圓企業(yè)，已經(jīng)成功研制出大尺寸、高質(zhì)量的金剛石晶圓片。（集邦化合物半導(dǎo)體Zac整理）

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據(jù)悉，賀利氏集團(tuán)是全球知名的家族企業(yè)、科技公司，業(yè)務(wù)多元化，主要活躍在貴金屬及回收、半導(dǎo)體及電子、醫(yī)療健康、工業(yè)應(yīng)用等四大業(yè)務(wù)領(lǐng)域中。本次投資是賀利氏集團(tuán)在中國大陸地區(qū)首次戰(zhàn)略性投資初創(chuàng)企業(yè)，融資資金將用于大尺寸多晶金剛石量產(chǎn)產(chǎn)線建設(shè)以及新產(chǎn)品的研發(fā)。

根據(jù)官網(wǎng)資料，化合積電是是一家專注于寬禁帶半導(dǎo)體襯底材料和器件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，核心產(chǎn)品包括多晶金剛石（晶圓級金剛石、金剛石熱沉片、金剛石窗口片、金剛石基異質(zhì)集成復(fù)合襯底）、單晶金剛石（熱學(xué)級、光學(xué)級、電子級）和氮化鋁薄膜等，主要應(yīng)用于航空航天、電力電子、光通訊，新能源光伏、新能源汽車、傳感器、Al、IGBT、高鐵等領(lǐng)域。

圖源：拍信網(wǎng)正版圖庫

對于金剛石材料的性能和應(yīng)用，化合積電介紹，金剛石是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)秀的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用前景十分廣闊：

金剛石具有超高熱導(dǎo)率，在高溫、高頻、大功率等場景，可助力電力電子器件、功率器件、射頻器件實(shí)現(xiàn)高密度、小型化和輕量化；

金剛石具有高擊穿場強(qiáng)和高載流子遷移率，能夠顯著降低損耗、快速散熱和延長器件壽命；

金剛石是超硬材料，摩擦系數(shù)小，且化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠在極端、惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定，在高科技領(lǐng)域有重要應(yīng)用；

金剛石有優(yōu)異的光學(xué)性能，從X射線、深紫外到微波的所有波段均有良好的透過性，可用于制備高性能光學(xué)元件。

而對于本次戰(zhàn)略投資化合積電，Steffen Metzger博士表示：“賀利氏持續(xù)投資具備領(lǐng)先材料科技的初創(chuàng)企業(yè)，在此基礎(chǔ)上，這一合作還突出了集團(tuán)對半導(dǎo)體市場的戰(zhàn)略重點(diǎn)。憑借化合積電的卓越晶圓級金剛石技術(shù)，我們有望開拓行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，加速人工智能和云計(jì)算的發(fā)展，革新電動汽車的逆變器架構(gòu)?！保罨衔锇雽?dǎo)體 Winter）

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該公司計(jì)劃提供金剛石基板作為改善熱性能的途徑，這反過來又可以改善人工智能計(jì)算和無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，公司可以通過將金剛石以原子方式粘合到以埃級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。

圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫

從熱導(dǎo)性上看，沒有其他材料能像單晶金剛石那樣有效地導(dǎo)熱，從而使芯片運(yùn)行得更快、使用壽命更長。這就讓金剛石晶圓在工作芯片晶體管的原子距離內(nèi)提供了一條熱高速公路。它以理想的效率散熱，減少熱點(diǎn)并使芯片的計(jì)算速度提高三倍。

同時，這還是一個極端的電絕緣體，最薄的金剛石切片可以隔離非常高的電壓，從而使電力電子器件的小型化達(dá)到新的水平。

得益于這些領(lǐng)先特性，Diamond Foundry認(rèn)為公司的解決方案適用于所有領(lǐng)先的高功率芯片，經(jīng)過驗(yàn)證的硅芯片與金剛石半導(dǎo)體基板的結(jié)合極大地加速了云和人工智能計(jì)算，這意味著使用數(shù)據(jù)中心一半的空間即可獲得相同的性能。

這些優(yōu)勢也讓其能簡化逆變器設(shè)計(jì)，會因?yàn)榻饎偸A的導(dǎo)熱性和電絕緣性的極端特性使得新穎的架構(gòu)能夠從根本上推進(jìn)小型化、效率和魯棒性。

這個領(lǐng)先的設(shè)計(jì)也讓其能在無線通信領(lǐng)域提供幫助。

據(jù)介紹，GaN半導(dǎo)體為越來越多的最有效的無線通信提供動力。但金剛石晶圓解決了過熱和電壓問題，使GaN在每一項(xiàng)指標(biāo)上都優(yōu)于SiC。

而金剛石基 GaN MOSFET 的功率密度是不含金剛石的GaN的三倍。通過降低熱應(yīng)力以及將 GaN 原子互連到DF（Diamond Foundry）單晶金剛石，提高了可靠性。

類似的公司 Diamfab SA（法國格勒諾布爾）于2019年在歐洲成立。Diamfab 合成并摻雜在其他基板上生長的金剛石外延層，以期用金剛石制造卓越的功率器件。（文：全球半導(dǎo)體觀察）

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這也讓金剛石半導(dǎo)體又走進(jìn)了一大步。

盡管它們具有對半導(dǎo)體行業(yè)有吸引力的特性，但由于缺乏有效地將它們切成薄晶圓的技術(shù)，其應(yīng)用受到限制。因此，晶圓必須一張一張地合成，這使得制造成本對于大多數(shù)行業(yè)來說都過高。

現(xiàn)在，由千葉大學(xué)工程研究生院 Hirofumi Hidai 教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究小組找到了解決這個問題的方法?；诩す獾那衅夹g(shù)用于沿著最佳晶面干凈地切片鉆石，生產(chǎn)光滑的晶圓。他們的研究由千葉大學(xué)科學(xué)與工程研究生院的碩士生 Kosuke Sakamoto 和前博士生德永大二郎共同撰寫，或者現(xiàn)任東京工業(yè)大學(xué)助理教授。

為了防止不良裂紋在晶格上傳播，研究人員開發(fā)了一種加工技術(shù)，將短激光脈沖聚焦到材料內(nèi)狹窄的錐形體積上。

“集中激光照射將鉆石轉(zhuǎn)化為非晶碳，其密度低于鉆石。因此，激光脈沖修飾的區(qū)域密度會降低，裂紋也會形成。” Hidai 教授說道。

通過將這些激光脈沖以方形網(wǎng)格圖案照射到透明樣品上，研究人員在材料內(nèi)部創(chuàng)建了一個由容易出現(xiàn)裂紋的小區(qū)域組成的網(wǎng)格。如果網(wǎng)格中修改區(qū)域之間的空間和每個區(qū)域使用的激光脈沖數(shù)量是最佳的，則所有修改區(qū)域通過優(yōu)先沿{100}平面?zhèn)鞑サ男×鸭y相互連接。因此，只需將鋒利的鎢針推到樣品側(cè)面，即可輕松將具有 {100} 表面的光滑晶圓與塊體的其余部分分離

“金剛石切片能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，對于制造金剛石半導(dǎo)體器件是必不可少的。因此，這項(xiàng)研究使我們更接近實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在社會中的各種應(yīng)用，例如提高電動汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率，”他說。

金剛石晶圓初創(chuàng)公司，挑戰(zhàn)碳化硅

法國初創(chuàng)公司 Diamfab 正在尋求以雙重商業(yè)模式利用其金剛石外延晶片來應(yīng)對碳化硅器件。

根據(jù)這種新方法，該公司將直接并通過面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟銷售其技術(shù)。該戰(zhàn)略旨在實(shí)現(xiàn)一個可擴(kuò)展的模型，結(jié)合了內(nèi)部能力和擴(kuò)展的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，以設(shè)計(jì)和構(gòu)建二極管、晶體管、電容器、量子傳感器和高能探測器。

第一個目標(biāo)市場是電動汽車電容器，金剛石半導(dǎo)體相對于現(xiàn)有電容器技術(shù)和碳化硅的優(yōu)勢可以減小尺寸并提高車輛整個生命周期的性能。

“我們已經(jīng)申請了全金剛石電容器的專利，并正在與該領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)合作，”Diamfab 首席執(zhí)行官 Gauthier Chicot 說道?！霸谄渌麉?shù)中，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)：超過 1000A/cm2 的高電流密度和大于 7.7MV/cm 的擊穿電場。這些是未來設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)，并且已經(jīng)優(yōu)于 SiC 等現(xiàn)有材料為電力電子設(shè)備提供的參數(shù)。此外，我們有一個明確的路線圖，到 2025 年實(shí)現(xiàn) 4 英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動因素?！?/p>

Diamfab 于 2019 年推出，是法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的功勞。它開發(fā)了利用微波產(chǎn)生的等離子體在受控溫度和壓力條件下合成和摻雜金剛石外延層的IP。這會將甲烷分子裂解成碳，然后碳在鉆石種子的表面上重新排列。同時，添加精確且受控?cái)?shù)量的硼或氮以生長金剛石摻雜層并形成準(zhǔn)備用于器件制造的高附加值晶圓。

“過去兩年，我們與研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，在加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進(jìn)展。我們基于雙重業(yè)務(wù)模式的以應(yīng)用為導(dǎo)向的方法現(xiàn)在使我們能夠與更廣泛的工業(yè)合作伙伴合作，開發(fā)和銷售高附加值金剛石晶片和我們獲得專利的金剛石設(shè)備制造工藝，同時也直接向最終用戶銷售具有超輕模型，”Chicot 說道。

與硅相比，金剛石的電流密度高出5000倍，電壓高出30倍，可以在高溫和輻射的惡劣環(huán)境下工作。在汽車應(yīng)用中，Diamfab 晶圓可以制造重量減輕 80%、結(jié)構(gòu)更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器。在電網(wǎng)應(yīng)用中，與硅相比，晶圓還可以更輕松地處理更高的電壓，并將能量損失減少 10 倍。

“我們通過獨(dú)特的控制來合成和摻雜金剛石外延層；因此，金剛石摻雜層的堆疊被生長以形成高附加值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備?！盌riche 說。

而在制造金剛石器件所需的所有工業(yè)過程中，外延層的生長是最關(guān)鍵的過程之一，因?yàn)榇蟛糠蛛姎庑阅苋Q于這些有源層的質(zhì)量。但與現(xiàn)有半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有三個關(guān)鍵優(yōu)勢：熱管理、成本/效率優(yōu)化和二氧化碳減排。

在所有傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器中，冷卻系統(tǒng)是一個笨重且體積龐大的部件。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率隨著溫度的升高而降低。但Driche 表示，雖然必須付出相當(dāng)大的努力來冷卻暴露在高工作溫度下的 Si 或 SiC 器件，但可以簡單地讓金剛石在工作過程中找到穩(wěn)定的狀態(tài)。

據(jù)了解，金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍覆蓋了從電動汽車到具有 20 年長壽命電池的物聯(lián)網(wǎng)，再到醫(yī)療保健中使用硬化電子元件或探測器的核和空間應(yīng)用，甚至用于自動駕駛汽車的超精密量子傳感器。

電動汽車是 Diamfab 的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，該公司最近申請了電動汽車用全金剛石電容器的專利。當(dāng)被問及細(xì)節(jié)時，Driche 表示，當(dāng)一家工業(yè)電容器制造商表示正在尋找一種無源元件解決方案來保護(hù)二極管和晶體管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件作為有源器件時，全金剛石電容器的想法就出現(xiàn)了。所承受的電壓峰值高于其承受能力 (>1,500 V)。

鑒于社會日益電氣化，金剛石的前景一片光明，但該技術(shù)要成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)，仍需克服許多障礙。

合成技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)具有可預(yù)測特性和一致性能的工程金剛石成為可能。第一批人造鉆石于 20 世紀(jì) 50 年代采用高壓和高溫生產(chǎn)。20 世紀(jì) 80 年代，采用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)生產(chǎn)晶圓級鉆石。

Chicot 表示：“近年來 CVD 合成技術(shù)取得的技術(shù)進(jìn)步大大加速了該技術(shù)的發(fā)展，金剛石的時代從未如此接近?！?“最近展示的高達(dá) 4 英寸的大型晶圓，以及許多研發(fā)中心和工業(yè)合作伙伴對開發(fā)二極管、晶體管和電容器日益增長的興趣都證明了這一點(diǎn)?！?/p>

將晶圓直徑從 0.5 英寸擴(kuò)大到 4 英寸可以讓 Diamfab 獲得汽車市場所需的競爭力。

至于其他障礙，該初創(chuàng)公司認(rèn)為，減少位錯可以提高零部件的制造產(chǎn)量。Diamfab 還在探索多種途徑來實(shí)現(xiàn)垂直組件架構(gòu)，以提高電流密度。

更多金剛石半導(dǎo)體的參與者

早前，總部位于東京的 Orbray Co Ltd（生產(chǎn)精密寶石零件、直流無芯電機(jī)、光纖元件和醫(yī)療設(shè)備）和位于日本愛知縣南山的汽車半導(dǎo)體研究公司 MIRISE Technologies Corp（一家由DENSO 和豐田于 2020 年 4 月成立的合資企業(yè) ）已開始在垂直金剛石動力設(shè)備方面進(jìn)行合作。

在該項(xiàng)目的三年期間，Orbray 和 MIRISE 旨在利用各自在金剛石基板和功率器件方面的技術(shù)、資源和專業(yè)知識，開發(fā)未來在各種電動汽車中部署垂直金剛石功率器件所需的技術(shù)。

在研究合作中，Orbray將負(fù)責(zé)開發(fā)p型導(dǎo)電金剛石基板，而MIRISE將負(fù)責(zé)開發(fā)高壓操作器件結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證垂直金剛石功率器件的可行性。項(xiàng)目結(jié)束時，兩家公司計(jì)劃討論下一階段的合作，例如進(jìn)一步的研發(fā)。

今年年初，一則新聞宣布，日本佐賀大學(xué)教授 Kazuki Yosda 和日本精密零件制造商 Orbray 開發(fā)了一種由金剛石制成的功率半導(dǎo)體，其工作功率為每平方厘米 875 兆瓦。

據(jù)稱，這款新型半導(dǎo)體是世界上輸出功率值最高的半導(dǎo)體。近年來，使用金剛石的功率控制半導(dǎo)體的開發(fā)取得了進(jìn)展，被稱為終極功率半導(dǎo)體。

該功率半導(dǎo)體的輸出功率預(yù)計(jì)為2090兆瓦，在所有半導(dǎo)體中僅次于氮化鎵產(chǎn)品，并且是世界上現(xiàn)有金剛石半導(dǎo)體中輸出功率值最大的。與下一代功率半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅相比，金剛石半導(dǎo)體具有更優(yōu)越的性能，包括耐高壓和功率損耗，預(yù)計(jì)可降低至硅產(chǎn)品的1/50,000。

到 2050 年，金剛石功率半導(dǎo)體（也非常耐熱和耐輻射）預(yù)計(jì)將成為人造航天器的重要組成部分。（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自allaboutcircuit）

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該項(xiàng)目規(guī)劃總投資15億元，計(jì)劃購置200套第四代半導(dǎo)體的研發(fā)、檢測、分析、測試設(shè)備，逐步打造東鄉(xiāng)縣第四代半導(dǎo)體生產(chǎn)基地。目前，項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室正在同步建設(shè)中，兩臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備已運(yùn)至東鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

據(jù)悉，鑫磊半導(dǎo)體是杭州市政府重點(diǎn)引進(jìn)企業(yè)，公司主要從事研發(fā)、生產(chǎn)和銷售光電器件、光電材料、太陽能電池組件、太陽能應(yīng)用產(chǎn)品控制軟件以及太陽能電站工程的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)營。

圖源：拍信網(wǎng)正版圖庫

此外，在4月11日，根據(jù)齊齊哈爾市發(fā)展和改革委員會官方消息，齊齊哈爾市建華區(qū)與鑫磊半導(dǎo)體也舉行了項(xiàng)目簽約儀式。

據(jù)悉，鑫磊半導(dǎo)體計(jì)劃落戶建華區(qū)北苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)，投資19.2億建設(shè)金剛石裝備制造、金剛石生產(chǎn)加工和鈣欽礦光伏組件生產(chǎn)等。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)值可達(dá)26億。（化合物半導(dǎo)體市場 Winter整理）

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