“钻石”芯片,真的要来了?

作者:admin  来源:半导体行业观察  发布时间:2023-11-13  访问量:1416


在不远的将来,“人手一颗钻石”可能不再是遥不可及的梦想。不过,这颗钻石不是装饰品,而是作为每一台电子设备心脏——芯片——的部件。2023年,一家名为Diamond Foundry(简称DF)的公司创造出了世界上首个单晶钻石晶圆(Diamond Wafer),开启了一场可能颠覆整个半导体行业的技术革命。按照该公司的规划,在2023年以后,他们计划在每个芯片后安装一颗单晶钻石用于散热,到2033年以后,推动钻石材料在半导体行业的应用,如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。


钻石,成为半导体终极材料


自1959年硅晶片诞生以来,半导体工业不断地突破和创新。从硅发展到现在大火大热的碳化硅(SiC)/氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料,再到对氧化镓的探索,产业界始终在探索具有更优导热和电绝缘性能的新材料,以应对不断升级的技术要求。而钻石晶圆,就目前已经探到的材料而言,可以说是终极的半导体材料了。


众多周知,整个半导体产业遵循着摩尔定律已经来到了3纳米,苹果的3纳米芯片已经伴随iPhone15 Pro和Pro max悄然到了消费者手中。随着我们正在向2纳米、1纳米甚至是埃米(Angstrom,1埃=十亿分之一米)级别迈进。依靠现在的硅基材料显然是有很大难度的,物理极限的问题不断显现,热挑战也在困扰着行业。与当今现有的材料相比,钻石展现了其多项超群的特性。


首先,按照DF公司的说法,他们可以实现将钻石直接以原子方式与集成电路晶圆粘合,晶圆厚度可以达到埃级精度,这不仅凸显了其粘合精度之高,而且为半导体产业未来向纳米甚至埃米级别进展提供了坚实的技术基础。


其次,单晶钻石是已知热导率最高的材料。典型的硅的热导率为150W/(m·K),铜(Copper)是380W/(m·K),而钻石的热导率远高于硅和铜,高达2400W/(m·K),,这就意味着它能更有效地传导热量,使集成电路能够更快地运行且寿命更长。


钻石还有一个很大的优势是极高的绝缘性。衡量不同材料绝缘性好坏的一大重要指标是击穿电场强度,表示材料能承受的最大电压不造成电击穿。作为对比,硅材料的击穿电场强度为0.3 MV/cm左右,SiC为3 MV/cm,GaN为5 MV/cm,而钻石则为10 MV/cm。而且即使是非常薄的钻石切片也具有非常高的电绝缘性,能够抵抗非常高的电压。这对于功率电子学领域中的器件微型化是非常重要的。


因此,凭借极高的导热性和电绝缘性以及可与集成电路晶圆直接粘合的特点,使得钻石成为理想的半导体基底材料。


世界上首个110克拉、晶圆大小的钻石是如何制造出来的?

创造出世界首个DF公司的创始团队由麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学的工程师组成,大约2012年之前,他们还是一家太阳能发电科技公司,但是该公司由于某些原因在商业上失败了,然而他们却发现类似太阳能的技术却可以生产更高价值的钻石。因此,自2012年开始,该团队开始设计生长钻石的等离子体反应器,2014年启动了第一个等离子体反应器。2015年他们生产出了第一颗单晶钻石。2016年他们的钻石开始大量生产,被消费者抢售一空。事实证明,钻石确实是一门好生意,很快该公司就实现了盈利。


他们开始制造越来越大的钻石,并开始追求半导体晶圆大小的钻石。2023年10月,他们成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆,直径100毫米、重110克拉。


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这不是易事,长期以来,生产晶圆大小的单晶钻石一直是难以实现的技术圣杯。单晶钻石的制造过程一直受到两大技术挑战的制约:


  • 一方面,使用传统的高压高温(HPHT)技术培育大尺寸单晶钻石所需承受的压力远超任何已知材料的极限;

  • 另一方面,按照单晶材料生长的基本原则:在生长单晶材料时,通常需要一个已有的同种材料的单晶体作为“种子”,这个种子会指导新添加的原子在何处正确地定位自己,以保持原有的晶体结构不变。简单来说,就像是在已有的秩序排列的队列中加入新成员,如果没有一个明确的示范,新来的成员就不会知道如何加入队列以保持队列的整齐。在单晶生长的情况下,这种“队列”的秩序是原子排列的规则性和周期性,也就是晶格结构。如果没有一个模板来指导这种秩序的创建,那么新增加的原子就无法形成所需的单晶结构,可能会导致多晶或非晶结构的形成,这些结构的性质与单晶大不相同。


因此,要想采用薄膜原子分层技术制造钻石则需要一个与晶圆同样大小的基体来指导原子沉积,但世界上并不存在晶圆大小的钻石,必须要弄清楚如何制造第一个用于生产更多晶圆的“母”晶圆。


DF公司首先采用了一种称为钻石晶圆异质外延的极其复杂的技术,据其官网的描述:“我们制造的设备能够精确控制十个原子层如何撞击硅晶片上铱和钇稳定氧化锆的纳米级特殊夹层,我们设法让前十个原子误以为底部有单晶钻石,而实际上并没有,从而为后续单晶钻石的制造奠定了基础。”


然后在其等离子体设备中利用晶锭生长反应堆技术,严格控制钻石单晶的生长过程。据悉,他们为生产的每克拉钻石收集超过10亿个数据点,在生长过程中动态调整这些参数。


实现单晶钻石晶片的挑战并不止于制造出晶圆大小的母晶。接下来的挑战是如何切割地球上最坚硬的材料。他们为此又开发了晶圆切割机,用来将单晶钻石锭切割成薄片。


接下来就是要对切割下来的薄片进行表面抛光。为了能够嵌入原子尺寸的晶体管,钻石晶圆片也必须要满足现在半导体晶圆的表明要求。


为了能将他们制造的钻石晶圆应用到半导体行业当中去,DF公司又开发了芯片键合技术。能与当今众多的大功率硅芯片、SiC功率芯片以及GaN通信芯片直接进行原子化连接。为更多的应用带来无限的潜力。


可以说,DF这家公司以其革命性的技术,已经打通了钻石材料在半导体行业应用的全流程。接下来就看其在各应用当中的潜力了。


钻石,要革芯片散热的“命”


在当下人工智能、云计算和电动汽车和无线通信等领域,复杂的芯片设计使得热管理成为一大挑战,尤其是在高性能计算任务中,这种热量的产生尤为显著。如果热量不能有效散发,会在芯片上形成“热点”,长期存在热点会影响芯片的稳定性和寿命。但是钻石的高热导率可以帮助快速均匀地分散这些热点,并帮助芯片上产生的热量散发出去。由于热效率的提高,芯片则可以在更高的频率下稳定运行而不会过热。这将使得芯片的处理速度可以提高,实现更快的计算速度。所以,钻石材料最大的优势是通过使用最终的热量散发解决方案来加速硅芯片的性能。


据DF描述,钻石晶圆在芯片内的高工作负荷晶体管的原子级距离内提供一个热量超高速通道,按照理想散热的情况分析,能使人工智能和云计算领域的硅芯片速度提升3倍。按照他们所剖出的原理图,他们将原本被动硅的部分替换成为钻石,使用钻石基板作为热导层,在晶体管工作产生热量时,热量可以更快速、更有效率地从活跃硅层传递到铜层并散发出去。


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芯片散热的原理:热量从活跃硅层产生,需要通过被动硅层传导到铜层,然后散发出去(图源:DF公司)


在电动汽车领域,逆变器是核心之一。目前电动汽车的代表特斯拉的Tesla 3逆变器可以说是业界最小型的逆变器,但是基于钻石晶圆的导热性和电绝缘性的极端特性使得新颖的架构能够从根本上推进小型化、效率和鲁棒性。据DF公司称,他们所打造的新型逆变器比Tesla 3的逆变器尺寸缩小六倍(如下图所示),而且还超越了其性能和效率。第一批DF Perseus原型已经在一级汽车 OEM 实验室中完成并成功进行了测试。


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DF研发的新型Perseus逆变器VS特斯拉的电源逆变器(图源:DF公司)


我们都知道,GaN在高效无线通信领域的应用越来越重要,如果将钻石与GaN结合使用,使用钻石晶圆的GaN MOSFET能够达到非钻石GaN设备的三倍功率密度。这是因为钻石基底能显著提高散热效率,降低因高功率运作而产生的热应力。此外,通过在设备中将GaN原子与DF单晶钻石互连,不仅增强了其热传导效率,还大幅提高了整个设备的可靠性和稳定性。



结语


综上所述,钻石材料的采用很可能会成为当今高性能计算应用领域技术进步的一个重要推动力。然而,面临的挑战同样不容小觑,尤其是成本问题——“钻石”二字往往让人联想到高昂的价值。不过,我们可以从SiC材料的发展历程中汲取启示。早期,SiC的成本和良率问题确实使得许多产业望而却步,但随着时间的推移,凭借业内多家企业和专家的持续努力,SiC技术的成熟进展速度已经取得令人瞩目的成果。类似的努力也在日本针对钻石量产技术的研究中体现。我们有理由相信,在众多行业共同推动下,钻石材料将为我们的科技生活带来深远的影响。