金刚石被誉为“终极半导体材料”,,是半导体业界“疯狂的石头”。。说起金刚石半导体的核心特性,,主要是以下几个方面:
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。。”
华为金刚石专利申请中解释到:“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”。。
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。。。。
尊龙时凯一直深耕金刚石领域的研究和开发,,,关注着金刚石在半导体等领域的应用进展,,,是国内规模优势明显金刚石半导体企业。。。。高品质大尺寸CVD金刚石可用于光学窗口、、、芯片热沉、、、、半导体及功率器件等高端先进制造业及消费领域,,公司聚焦CVD金刚石产业链相关技术研发,,,,加快CVD金刚石技术进步及产业化,,现已有成熟产品:晶圆级金刚石、、金刚石热沉片、、金刚石窗口片、、金刚石基异质集成复合衬底等产品。。。。