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更高性能的金刚石半导体技术

2020-07-10 16:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

金刚石具有比硅速度快、功耗小、质量轻、厚度薄等诸多优点，在半导体领域具有巨大前景。

早在2000年之前，阿贡国家实验室已经就金刚石化学气相淀积（CVD）展开试验，并成立了先进金刚石技术公司。该公司和创新微技术公司合作制造出金刚石微机电系统，并促进了SP3金刚石技术等金刚石晶圆专业公司生产用于淀积金刚石晶体的CVD设备。虽然截止目前，金刚石最大的应用还是在珠宝、研磨料和人造钻石等领域，但阿贡国家实验室仍努力寻求可使金刚石（自然的绝缘体）变为半导体和导体的方法，以此为所有的金刚石芯片铺平道路。美国初创公司Akhan半导体公司已获美国能源部阿贡国家实验室的金刚石半导体工艺授权，再结合自身在金刚石领域的技术突破，计划成为首个真正实现金刚石半导体产品化的公司。

金刚石半导体实现商业化的最大问题是制造P型晶体管容易、制造n型晶体管困难，Akhan半导体公司的创始人兼首席执行官Adam Kahn提供了“Miraj金刚石平台”作为解决方案，可实现P型和N型器件，使得制造出金刚石互补金属氧化物半导体(CMOS)成为可能。该工艺平台的技术核心是，通过在P型器件中掺杂磷、在N型器件中掺杂了钡与锂，带来P型和N型性能相当的可调电子器件，并因此发展出金刚石CMOS。

采用CMOS金刚石半导体工艺制造出的首个器件是金刚石PIN二极管，厚度打破记录地薄至500纳米，性能比硅高100万倍，还比硅薄100倍，原因在于金刚石的带隙比碳化硅和氮化镓还要宽；在热分析结果显示，该PIN二极管中没有热点，因此没有硅PIN二极管中的寄生损失。

Akhan半导体公司还展示了100GHz器件。金刚石具有超低阻值，减少散热需求，还可淀积在硅、玻璃、蓝宝石和金属衬底上，有望重新激发微处理器运算速度的演进。此前，由于无法有效散热，微处理器的运算速度在5GHz左右已徘徊了10年。对于硅材料，5GHz是一个极限，因为更高的功耗和热点会将微处理器化为泡沫，而金刚石有着22倍于硅、5倍于铜的热传导能力，将使微处理器的运算速度达到新的高度，催生新一代微处理器。金刚石技术还将使摩尔定律得到延续。Akhan半导体公司展示的100GHz芯片使用的特征尺寸是100s纳米，在金刚石面临单原子级之前还有十二代可缩小空间，而硅则将在2025年达到原子级发展极限。

Akhan公司的产品将是未来智能手机、智能手表、笔记本或虚拟现实眼镜的核心部件。Akhan的产品不仅能够提升设备的性能，还能增加设备的寿命。为什么？答案很简单：钻石。更确切地说是：合成钻石。

钻石不单是莫氏硬度表上最坚硬的材料，也有着有良好的导热性。与硅相比，钻石保持能量的能力更强。对于智能手机来说，钻石制造的处理器能够减少发热量。

智能手机不是唯一的受益者，对于想要缩小设备中电路体积的公司来说，钻石处理器都能带来帮助。另外，重工业和航空航天业也需要钻石处理器件来抵御高强度的辐射和X射线。

本月15日AKHAN半导体公司发布了涉及制造金刚石半导体材料的日本专利。基于金刚石技术能够提高功率密度，并为消费者创造更快，更轻，更简单的设备。比硅芯片更便宜，更薄，基于金刚石的电子产品可能成为高能效电子产品的行业标准。

金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等，如下表。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性，但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在，其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。CVD金刚石膜则将这些优异的物理化学性能集一身，且成本较天然金刚石低，能够制备各种几何形状，在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。