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一家專門從事合成、實驗室培育的電子級鉆石材料的制造和應(yīng)用的科技公司AKHAN Semiconductor 日前宣布，公司面向半導(dǎo)體、電信、消費行業(yè)和全球市場展示了能夠制造 300 毫米互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 鉆石晶圓。

他們指出，這個行業(yè)突破性的 300 毫米 CMOS 鉆石晶圓將增強各行業(yè)電子產(chǎn)品的功率處理、熱管理和耐用性，但卻不會對制造商現(xiàn)有的制造工藝做出任何改變。

由于其固有的特性，鉆石被證明是最理想的半導(dǎo)體材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅的能力，硅是六十年來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料。為了生產(chǎn)世界上最先進(jìn)的技術(shù)，半導(dǎo)體制造商傳統(tǒng)上依賴 300 毫米硅晶圓，盡管硅已經(jīng)達(dá)到其物理極限。隨著全球工業(yè)超越摩爾定律，生產(chǎn) 300MM 金剛石晶圓的能力對半導(dǎo)體制造商至關(guān)重要，尤其是在航空航天、電信、軍事和國防以及消費電子等先進(jìn)行業(yè)。

“今年半導(dǎo)體芯片短缺的情況已得到充分證明，”AKHAN 董事會主席 Tom Lacey 說。“隨著美國計劃增加芯片供應(yīng)，使用最好的材料進(jìn)行制造以實現(xiàn)最佳性能也很重要。”

“AKHAN 的 300 毫米鉆石晶圓是基礎(chǔ)構(gòu)建塊，它將帶來更強大、更耐用的設(shè)備，且其運行溫度更低，制造商只需對其現(xiàn)有制造工藝進(jìn)行小幅更新，”AKHAN 半導(dǎo)體創(chuàng)始人 Adam Khan 說。“從武器系統(tǒng)到航天器，世界上最先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)都將從鉆石中成倍受益?，F(xiàn)在我們已經(jīng)證明了在 300MM 晶圓上制造這種理想材料的能力，制造商將可以使用最優(yōu)化的芯片材料，從而使他們的最終產(chǎn)品更高效地運行。”

隨著美國根據(jù)當(dāng)前的全球短缺情況評估半導(dǎo)體供應(yīng)鏈并努力重新奪回其在這一關(guān)鍵領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，政策制定者必須優(yōu)先考慮通過創(chuàng)新和開發(fā)采用金剛石等材料的下一代芯片來超越硅的公司。除了鉆石的先進(jìn)能力之外，美國的對手還了解這種令人垂涎的寶石有多么強大，并且正在優(yōu)先開發(fā)用于先進(jìn)武器的材料。

鉆石IC準(zhǔn)備大顯身手

我（AKHAN Semiconductor 創(chuàng)始人）的“啊哈”時刻發(fā)生在 2004 年，當(dāng)時，作為芝加哥伊利諾伊大學(xué)物理和工程雙學(xué)位的大三學(xué)生，一篇研究論文引起了我的興趣。那是關(guān)于鉆石作為電子材料可以發(fā)揮的作用——當(dāng)時這是一個非常未知的領(lǐng)域。然而那時我意識到鉆石技術(shù)可以引發(fā)電子行業(yè)的翻天覆地的變化，我知道我想在使鉆石半導(dǎo)體成為現(xiàn)實方面發(fā)揮作用。

自 1960 年代以來，硅一直是半導(dǎo)體的流行材料選擇，它仍然占市場上可用設(shè)備類型的 95%以上。但它提出了幾個長期挑戰(zhàn)。也許更為人所知的問題，通常被表達(dá)為“摩爾定律”，它強調(diào)了更小、更快的電子產(chǎn)品在物理上受到硅能力限制的趨勢——簡單地說，市場上設(shè)備的速度和尺寸幾乎是材料所能達(dá)到的絕對最好的表現(xiàn)。硅面對的更緊迫和可見的問題是熱量問題。從歷史上看，硅半導(dǎo)體器件的熱管理已被證明對電力電子產(chǎn)品存在問題。所需的冷卻方法效率低下，是電子垃圾的主要來源。

為此我們定義了鉆石半導(dǎo)體。曾經(jīng)被認(rèn)為是電子產(chǎn)品的“圣杯”，如今已成為真正的替代品，既可作為硅補充劑，也可作為獨立的半導(dǎo)體平臺材料。鉆石不再僅僅被降級為寶石，而是為電力電子發(fā)展和更廣泛的全球電子行業(yè)未來未知數(shù)年提供了路線圖。

事實上，許多人認(rèn)為該行業(yè)正在進(jìn)入鉆石時代的黎明。他們相信，具有卓越電子特性的世界上最堅硬的天然材料將使各種行業(yè)的性能更上一層樓。它即將成為生產(chǎn)當(dāng)今最先進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品的公認(rèn)選擇——而它在消費電子產(chǎn)品中的應(yīng)用則緊隨其后。

為什么是鉆石？因為它可以在不降低性能的情況下運行得更熱（是硅的 5 倍以上），更容易冷卻（傳熱效率是硅的 22 倍），在擊穿前可以承受更高的電壓，并且電子（和電子空穴）可以更快地穿過它們。已經(jīng)有使用鉆石材料的半導(dǎo)體器件提供的電流是硅或以前嘗試使用鉆石的一百萬倍。

基于鉆石的半導(dǎo)體能夠提高功率密度，并制造出更快、更輕、更簡單的設(shè)備。它們比硅更環(huán)保，可提高設(shè)備內(nèi)的熱性能。因此，半導(dǎo)鉆石材料市場很容易超過碳化硅市場，由于性能、成本以及與現(xiàn)有技術(shù)的直接集成到硅平臺。

半導(dǎo)體行業(yè)的歷史可以追溯到 1833 年，當(dāng)時英國自然哲學(xué)家邁克爾法拉第描述了他發(fā)現(xiàn)硫化銀晶體中導(dǎo)電性隨溫度升高的“特殊情況”。但直到本世紀(jì)，鉆石才開始受到重視。

自從那篇研究論文引起我的興趣十多年后，我的公司 AKHAN SEMI 與阿貢國家實驗室合作，開發(fā)了一系列先進(jìn)的技術(shù)，使我們能夠制造獨立的鉆石材料，將鉆石直接沉積在加工過的硅上，制造完整的鉆石半導(dǎo)體器件，以及將鉆石材料附著到其他電子材料上。

鉆石晶圓技術(shù)正在生產(chǎn)更薄、更便宜的設(shè)備，這些設(shè)備已經(jīng)在信息技術(shù)、軍事和航空航天應(yīng)用中使用。此外，鉆石半導(dǎo)體最早將從 2015 年開始對消費電子、電信和健康行業(yè)等產(chǎn)生重大影響。

汽車制造商正在關(guān)注鉆石功率器件在電動汽車控制模塊中的應(yīng)用。鉆石半導(dǎo)體還可以幫助更好地管理各種設(shè)備的電池壽命和電池系統(tǒng)，包括手機(jī)、相機(jī)和車輛。

對于存儲在以極其浪費的方式消耗大量能源的數(shù)據(jù)中心的云計算機(jī)服務(wù)器，鉆石半導(dǎo)體在提供更好性能的同時更有效地使用更少的能源。由于鉆石技術(shù)縮小了半導(dǎo)體所需的尺寸和能量，它為從洗衣機(jī)和烘干機(jī)到電視和數(shù)碼相機(jī)等小型個人電子產(chǎn)品鋪平了道路。至于防御技術(shù)，它可以在正常和極端/危險的操作環(huán)境中提供更大的范圍、可靠性和性能。

因此，鉆石半導(dǎo)體在其應(yīng)用中具有更大的范圍和能源效率。它們有助于推動更便宜、更快速的云集成，以滿足消費者和企業(yè)的需求。它們改變了在何處以及如何使用我們的手機(jī)、筆記本電腦和其他尚未發(fā)明的個人電子設(shè)備的能力，其好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了性能。鉆石半導(dǎo)體等電力電子設(shè)備代表了減少電子廢物和將電子冷卻成本減半的巨大機(jī)會。

眾所周知，鉆石是在自然界中經(jīng)過相當(dāng)長的一段時間形成的，在公開市場上花費數(shù)千美元。然而，實驗室制造的鉆石可以在世界任何地方的工廠環(huán)境中使用宇宙中最豐富的一些分子清潔且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)：甲烷和氫氣，它們很容易獲得。我最熟悉的工藝是我公司采用的工藝，并在阿貢國家實驗室使用，在該工藝中，甲烷和氫等離子體暴露于微波能量中，以在不同尺寸、厚度和不同材料上形成非常薄的鉆石材料，例如硅、藍(lán)寶石、玻璃等。

一旦形成，利用這些薄鉆石薄膜材料（大約是人類頭發(fā)直徑的 1/70），我們能夠改變電子特性并形成比領(lǐng)先的硅對應(yīng)物薄一千多倍的器件結(jié)構(gòu)。最先進(jìn)的鉆石，但也提高了性能，讓更小、更快、更實用的趨勢得以延續(xù)。

在短短十年內(nèi)，隨著硅達(dá)到臨界點，鉆石材料正在取而代之。是時候?qū)⒒鹁鎮(zhèn)鬟f給鉆石了——這是一種卓越的材料，將使下一代創(chuàng)新者能夠創(chuàng)造出更快、更強大和更環(huán)保的電子產(chǎn)品。