“钻石恒永久，一颗永流传。”这一句广告词，引起了诸多女人的疯狂，也让钻石成为了昂贵的爱情代表。
最近，“钻石”也开始走入半导体，华为和哈尔滨工业大学的专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》被公开，引起了业内的“疯狂”。这金刚石，指的就是还未经打磨的钻石原石。
“钻石”芯片，究竟有何种魅力？
01
华为的“钻石”专利
如前文所述，华为与哈尔滨工业大学联合申请的一项专利，这项专利涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。
具体来看，就是通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。华为希望通过两者的结合，充分利用硅基半导体和金刚石的不同优势。
来源：华为与哈尔滨大学提交《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》专利
硅基半导体的优势不用多说，有成熟的工艺及产线、生产效率高并且成本较低。金刚石则是已知天然物质中热导率最高的材料，室温下金刚石的热导率高达2000Wm?1K?1，同时金刚石是宽禁带半导体，具备击穿场强高、载流子迁移率高、抗辐照等优点，在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。
在专利书中提及，本次结合利用的就是金刚石极高的发展潜力，想要为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。
受到华为专利的影响，当天国内A股培育钻石概念板块猛涨。实际上，引发半导体业内“疯狂”的“钻石”芯片在国际上并非只有华为一家。近年来，“钻石”芯片的研发消息频频传来。
02
抓住“钻石芯片”
国际上最新的消息，是一家由麻省理工、斯坦福大学、普林斯顿大学的工程师创立的企业在金刚石晶片方面的进展。
这家企业的名字叫做Diamond Foundry，企业主要的研究方向也是金刚石方向。从官网上来看，这家企业希望使用单晶金刚石晶圆解决，限制人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子器件和无线通信芯片的热挑战。
今年10月份Diamond Foundry培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片，具体的数据上，这个金刚石晶片直径100毫米、重量100克拉。
Diamond Foundry在接受采访时表示，已经可以在反应炉中培育出4英寸长宽、小于3毫米厚度的钻石晶圆，而这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。
怎么一同使用呢？Diamond Foundry 开发了一套技术，为每个芯片植入钻石。以原子的方式直接连接金刚石，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。
热量情况对比 来源：Diamond Foundry
按照其首席执行官Martin Roscheisen的说法，这可以使得芯片的运行速度至少是额定速度的两倍，并且Diamond Foundry工程师在英伟达最强大的芯片之一上使用这种方法，在实验条件下甚至能够将其额定的速度增加到三倍。
同时，Diamond Foundry公司的官方计划中还表示，希望能够在2023年后，引入单金刚石晶片，并在每个芯片后面放置一颗金刚石；在2033年前后，将金刚石引入半导体。
美国不止这一家企业在推动“钻石”芯片的产业化。美国的AKHAN、阿贡国家实验室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。其中，AKHAN公司专门从事实验室制造合成电子级金刚石材料，在2021年时，他们宣布能够制造300mm互补金属氧化物半导体 (CMOS) 金刚石晶圆。
稍早一些消息的还来自日本，依据已经宣布的研究成果来看，日本对于金刚石芯片的产业化探索更加全面。
从去年开始，日本生成了可用于量子计算项目纯度的金刚石晶圆；再到今年年初，日本校企合作，研发了一个金刚石制成的功率半导体；到今年8月，日本千叶大学科研团队提出关于“毫不费力地切割”金刚石的方法。从种种动向来看，日本对于金刚石芯片的研究也是比较重视的。
我们分别来看看日本这三个关于“钻石”芯片的研究。
直径55mm超高纯金刚石晶片和4mm×4mm晶体对比
去年4月，日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐贺大学联合宣布，已经于4月19日成功实现“钻石”晶圆量产，这种“钻石”晶圆的纯度是可以用在量子计算机、量子存储器和量子传感设备中。
这里日本解决的是如何实现少氮含量，更大尺寸金刚石的生成。在此之前，能够达到量子应用的超高纯度金刚石是只有4mm×4mm的晶体，而这次日本生成了直径2英寸（大概55mm）的晶体。
实际上，从生成的方式来看，之前市场往往利用氮气适合大规模生产的高生长速率，但这也会留下几ppm（百万分之一）的氮杂质。通过技术方式的改进，目前可以实现生产氮含量不超过3 ppb的超高纯度2英寸金刚石。
Adamant Namiki 表示：“理论上，一块2英寸的金刚石晶圆可以提供足够的量子存储器来记录10亿张蓝光光盘，这相当于一天内分布在全球的所有移动数据。”
2022年宣布这个消息时，Adamant Namiki Precision Jewelry还表示计划2023 年将 Kenzan 钻石晶片商业化，并且公司已经开始开发 4 英寸钻石晶片。不过，到了现在（2023年年底）该公司的4英寸钻石晶片，还没有传来新的消息。
年初，同样是日本，佐贺大学的教授和日本精密零部件制造商Orbray，合作开发了一个金刚石制成的功率半导体。这个功率半导体可以以1平方厘米875兆瓦的电力运行，在金刚石半导体中，输出功率值为全球最高，在所有半导体中也仅次于氮化镓产品。
这个技术的实现主要利用金刚石的高耐压性。采用向金刚石基板吹送二氧化氮气体的方式，使得金刚石基板具备半导体的性质。再通过用氧化铝膜进行保护，特殊的研磨方法将基板表面磨平，设法降低了电阻，最终实现了高性能半导体器件。
今年8月，日本的千叶大学科研团队提出了一种新的激光技术可以沿着最佳晶体平面“毫不费力地切割”钻石。
千叶大学的 Hirofumi Hidai 教授和他的团队提出了解决该问题的方案：基于激光的切割工艺，可以干净地切割钻石而不破坏钻石。研究人员表示，新技术通过将短激光脉冲聚焦到材料内狭窄的锥形体积上，防止激光切割过程中不良裂纹的传播。
千叶大学科研团队切割方式
激光脉冲将金刚石转变为密度较低的无定形碳，用激光照射的区域会出现密度降低和裂纹形成的情况。据介绍，研究人员创建了一个网格状图案来引导裂纹沿着指定的切割路径传播，同时使用锋利的钨针“轻松”地将光滑的晶片与金刚石块的其余部分分开。
千叶大学表示，这项新提出的技术可能是将钻石转变为“适合未来更高效技术的半导体材料”的关键一步。Hidai教授表示，用激光切割钻石“能够以低成本生产高质量的晶圆”，并且对于制造钻石半导体器件是必不可少的。
03
“钻石芯片”恒永久，如何永流传？
谈了这么多国际和国内的研究情况，我们已经可以大概了解金刚石特点，以及为什么会用在半导体领域了。其实主要利用金刚石的三大属性。
第一，高热导率。金刚石是自然界中热导率最高的物质，比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化镓（GaAs）大43倍，是铜和银的4~5倍。这就能解决目前半导体产业遇到的一个问题——散热。
目前，对于芯片性能的限制有一方面实际上是温度，对于大部分硅制的芯片来说，一旦运行温度超过105摄氏度，那么芯片就会变得不可靠。在很多日常生活中都能够感受到芯片的发热，一台使用很久的笔记本，放在腿上会发现底板在发烫、风扇在疯狂旋转而笔记本的运行速度下降。
这些热量从哪里来，可以拿CPU举例。一个CPU是由数亿个晶体管组成的，电流通过连接CPU中的微原件会产生热量，这被称为“焦耳热”，之后电流通过PN结的时候释放热量。这个热量通常和频率成正比，和电流的平方程成正比。因此，电脑的运算越快，处理器的工作量越大，那么产生的热量就越多。
麻省理工学院纳米工程实验室主任Gang Chen给出了具体数据：“当今，高性能芯片的功耗约为每平方厘米100瓦，这些因为芯片运行所产生的能量最终都转化为了热量，并且热量必须散发出去。”
上文提到的华为金刚石专利，在专利申请中华为也解释到：“随着集成密度不断升高以及特征尺寸不断缩小，电子芯片的热管理面临极大的挑战。芯片内部热积累难以向封装表层散热片传递，导致内部节温突升，严重威胁芯片性能、稳定性和使用寿命。”华为专利主要就是利用金刚石的高散热性。
第二，5.5eV的禁带宽度。金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上。
优秀的禁带宽度也使得金刚石拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数。甚至被称为“终极半导体”。前文中，日本开发的金刚石功率半导体利用的就是这一特性。
同时，需要注意，在2022年，美国商务部工业和安全局（BIS）发布公告，称出于国家安全考虑，将四项“新兴和基础技术”纳入新的出口管制，其中之一就是能承受高温高电压的第四代半导体材料金刚石。
第三，金刚石的特殊的能量结构。这个特性主要是关于金刚石用在量子存储中。与传统的存储器相比，金刚石量子存储器能将光子转换成金刚石中碳原子的特定振动，适用于许多不同颜色光的这种转换，将允许对光进行广谱操纵。金刚石的能量结构允许其以很低的噪声在室温下实现。从理论上来说，金刚石半导体在室温下工作，性能最高。前文提到日本Adamant Namiki Precision Jewel和佐贺大学研发出的可以用于量子计算机存储器的金刚石晶圆，主要希望利用这一特性。
总而言之，金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性，如高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等。未来，随着制造技术的进步和对金刚石的更深入研究，金刚石可能会成为制造高效、稳定、耐用的芯片的关键材料。
这时候，金刚石就将真正成为让半导体业界“疯狂的石头”。
原文标题 : 钻石，颠覆传统芯片
