金剛石晶圓首次突破尺寸極限！國內已有哪些研究進展

近日，總部位于加利福尼亞州舊金山的Diamond Foundry Inc宣布制造出了世界上第一塊直徑為100毫米的單晶金剛石晶圓。

該公司計劃提供金剛石基板作為改善熱性能的途徑，這反過來又可以改善人工智能計算和無線通信以及更小的電力電子設備。

該公司使用一種稱為異質外延的工藝來沉積碳原子，并在可擴展的基底上制造單晶金剛石。以前已經生產過金剛石晶片，但它是基于壓縮金剛石粉末，缺乏單晶金剛石的特性。

Diamond Foundry 表示，其下一個目標是降低金剛石晶圓的缺陷密度，以實現比Si高 17,200倍、比SiC高60倍的品質因數。

目前，Diamond Foundry在華盛頓州經營一家鉆石和晶圓生產工廠。

據悉，該公司成立于2012年，業務涉及珠寶和奢侈品市場以及半導體行業。該公司在其 Linkedin 網站上表示，已獲得 5.15 億美元的融資，并正在執行一項數十億美元的擴張計劃，利用零排放能源將溫室氣體轉化為金剛石Si片。

據他們所說，公司可以通過將金剛石以原子方式粘合到以埃級精度減薄的集成電路 (IC) 晶圓上，實現了最終的熱芯片封裝。


突破尺寸的限制

金剛石單晶是終極半導體材料。它結合了出色的結晶度、極高的擊穿電壓、出色的電學性能和極高的導熱系數。

限制當前金剛石襯底尺寸的是高溫高壓生長中使用的砧座的尺寸。我們用我們的異質外延方法避免了這個問題，包括在異質襯底上生長金剛石。經過對硅、碳化硅、碳化鈦、鎳、鉑、鈷和銥作為潛在襯底的研究，我們發現銥是最好的襯底。它是具有最高形核密度的元素，超過1108 cm-2。遺憾的是，由于沒有大表面積的單晶Ir襯底，因此人們研究了Ir-On-MgO、YSZ-on-Si和STO-on-Si等材料體系。

對這些復合材料的生長研究表明，根據X射線衍射，最好的金剛石材料質量來自于在Ir-on-MgO復合材料上的生長。該平臺在(004)和(311)面上分別產生了281弧秒和534弧秒的衍射峰的半峰寬。(004)半峰寬體現了傾斜成分，而(311)半峰寬揭示了扭轉成分。

為了提高晶體結晶質量，我們在生長的早期階段引入了金剛石微圖案和微針。這些微圖案導致外延橫向生長，從而降低了位錯密度；而微針釋放異質外延應變，導致自然分層，從而產生沒有裂紋的自支撐金剛石晶體。

藍寶石以其高質量、低成本和相對較大尺寸的可獲得性而聞名，這些特性導致它被用作生長氮化物的襯底材料。由于這些優勢，我們采用它來生長金剛石，而Ir提供了一個中間層。從熱膨脹系數的角度來看，藍寶石的a軸和c軸分別為4.210-6 K-1和5.310-6 K-1，高于金剛石的1.510-6 K-1，但仍遠低于氧化鎂的12.810-6 K-1。

在過去的三十年里，常見的寬帶隙材料的可用襯底尺寸一直在增加。我們為自己設定的目標是在2025年生產4英寸的金剛石襯底，在2030年生產8英寸的襯底。在直徑增加的同時，如果金剛石襯底廣泛應用，就必須降低成本。

高昂的生產成本主要是因為拋光金剛石的相關費用，金剛石是一種非常堅硬的材料。雖然沒有討論拋光技術的細節，但我們相信會有削減成本的進步空間。到2030年，我們打算以與目前可用的2英寸GaN襯底相同的價格生產2英寸金剛石襯底。

國內金剛石半導體發展現狀

金剛石作為一種硬度極高的材料，最早人工制備的用途主要在刀具、鉆頭、磨具、線鋸、鋸片、拉絲模等工業加工耗材上。實際上，自1963年成功研制出第一顆人造金剛石后，經過60多年的發展，目前中國已經是世界上人造金剛石產量最高的國家，占全球總產量90%以上。

不過中國金剛石產業主要集中在中低端應用市場，就像前面提到的工業加工領域。當然，在珠寶領域的人造鉆石市場也在國內蓬勃發展，但在功能性應用的領域，國內對金剛石材料的開發則較為落后。

西安電子科技大學蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內金剛石發展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領域處于落后。在CVD金剛石研究領域，從專利分布來看，美國、歐洲、日本的研究處于領先地位，我國發展相對緩慢，原創性研究偏少。

在“十三五”重點研發計劃支持下，國內拼接外延大尺寸金剛石單晶已經達到國際并跑的水平；在異質外延單晶方面，國內已經取得開創性進展，但尺寸和質量仍存在較大差距，計劃“十四五”實現追趕或超越。

其中，半導體應用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級、探測器級單晶至今仍是英國元素六公司的壟斷產品，國內仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導體，市場格局仍遠未形成壟斷，在半導體領域商業化仍未實現規模化，因此未來仍有很大的市場機會。