人们都说钻石是女人最好的朋友,但它可能很快也会变成半导体产业最好的朋友!

人们都说钻石是女人最好的朋友,但它可能很快也会变成半导体产业最好的朋友!一家美国新创公司 Akhan Semiconductor 打算要透过从美国能源部旗下阿冈国家实验室(Argonne National Laboratory)授权钻石半导体制程来实现以上目标。

业界已知钻石半导体能支援更高速度、更低功耗,而且比矽材料厚度更薄、重量更轻,不过 Akhan Semiconductor 是第一家有机会实际了解其特性的公司;该公司在美国伊利诺州 Gurnee 有一座 8 寸晶圆厂,预期将会在 2017 年的国际消费性电子展(CES)上,发表应用于某款消费性电子产品的钻石半导体 IC

阿冈国家实验室在 2000 年以前,曾使用化学气相沉积(CVD)技术进行实验,并独立出一家公司 Advanced Diamond Technologies,与 MEMS 代工业者 Innovative Micro Technology 合作生产钻石 MEMS,并激励钻石晶圆专家如 SP3 Diamond Technologies 打造能沉积出完美结晶(crystalline)钻石的 CVD 设备。

尽管到目前为止,钻石最成功的领域还是在珠宝、研磨以及人造钻石等其他工业用途;阿冈国家实验室仍继续寻找让钻石──是天然的绝缘体──进驻半导体的方法,以及能铺设到所有钻石晶片的导线,期望能让钻石半导体成真。以下影片是 Akhan Semiconductor 创办人暨执行长 Adam Kahn 叙述根据他自己的名字命名的公司之钻石半导体愿景:

到目前为止,钻石半导体商业化的最大障碍,是制造 p 型电晶体很容易,但制造 n 型电晶体很困难;这个问题已经被 Kahn 解决。他将 Akhan Semiconductor 的制程命名为 Miraj 钻石平台,可实现同时具备 p 型与 n 型元件的钻石 CMOS 技术;而该公司也期望能推出全球首款相容 CMOS 制程的钻石半导体。

Kahn 接受 EE Times 美国版编辑专访时表示:“我们最近已经证实了相容 CMOS 的钻石半导体──同时拥有 p 型与 n 型元件;我们成功制作了钻石 PIN [是 p 型 - 本质(intrinsic)、未掺杂(undoped)-n 型接面(juction)的缩写]二极体,其性能是矽的百万倍,而且薄一千倍。”

其背后奥秘是在 p 型元件中共同植入磷(phosphorous),然后在 n 型元件中共同掺杂钡(barium)与锂(lithium),如此能实现两种元件性能相当的可调式电子元件,并催生钻石 CMOS;Akhan Semiconductor 的第一款展示元件是钻石 PIN 二极体,达到了破纪录的 500 奈米厚度。能达到如此成果的原因,是钻石这种材料具备超宽能隙(band-gap),甚至超越碳化矽与氮化镓。”

 

Akhan Semiconductor 制作的矽晶圆上钻石(diamond on silicon)样本
 

“热分析结果显示,在我们的 PIN 上没有热点(hot spots),所以没有像是矽 PIN 二极体那样的寄生损耗(parasitic losses);”Khan 并展示了利用钻石超低电阻特性实现的 100GHz 元件,能沉积在矽、玻璃、蓝宝石或是金属基板上。这种高速度可能让处理器大战重新开打──在十年前其速度已经停滞在 5GHz。

还记得在很多年前,每一代新处理器的时脉速度都会更高一级;5GHz 对于矽材料来说是极限,因为该种材料的高耗电量以及高发热温度会把元件给融化;而 Kahn 表示,钻石的导热性能是矽的二十二倍、铜的五倍。

Akhan Semiconductor 的终极目标是让处理器竞赛重启,让其时脉速度能继续加快,但到目前为止他们专注于工业用电源元件、军事应用可调光学元件,以及利用钻石做为绝缘体与半导体的光学行动消费性应用;但是仍需要用到氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)做为触点。

Kahn 表示,他们尚未开发行动与消费性应用平台,但现在主要应用是需要更加散热效率的电力电子元件,就像矽元件那样运作──利用相同的微影、蚀刻与金属化步骤,只添加钻石沉积步骤。而该公司的终极目标,打造巨量资料处理应用的超高散热处理器;事实上,钻石 CMOS 的高速度不需要付出高温的代价,也就是说,对资料中心来说,钻石处理器的发热能比同样 5GHz 速度的矽处理器大幅降低,甚至耗电量与矽差不多,速度还能进一步升高到次 THz。

除了能解决目前资料中心遭遇的最大问题──散热,钻石的省电效益正是未来所需的特性;Kahn 并指出,钻石能沉积在玻璃或蓝宝石玻璃基板上,制作成完全透明的电子元件,实现透明手机等新一代消费性电子产品。

根据 Kahn 的说法,摩尔定律(Moore's Law)的寿命也将再度进一步扩展,因为该公司的 100GHz 展示晶片是采用 100 奈米制程节点,意味着钻石在遭遇矽将于 2025 年面临的单原子等级之前,还可以乎有 12 代的制程微缩。

 

配备钻石散热片的电路板样本(晶片可以直接放在散热片上)
 

“我们目前正专注于以 12 寸晶圆制作电源应用元件,期望能在大量生产以后降低制造成本;”Kahn 表示:“我们的电源元件已经在晶圆厂进入试产阶段,但公司的经营是采取轻晶圆厂模式,也就是我们自己只少量生产,在大量生产时就将制程转移至委托的晶圆代工厂。”

除了电源元件,Akhan Semiconductor 也有一些尝试钻石 MEMS 元件的新客户,要打造高阶智慧型手机动态调谐天线使用的电容式开关阵列。接下来,除了手机与资料中心处理器,该公司打算进军量子电脑领域,但不是采用氮空位(nitrogen vacancy)技术,而是目前视为商业机密的独门掺杂技术。