前段時間，一則華為在金剛石材料布局專利的消息引起關注——華為與哈爾濱工業大學申請的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公布，使得金剛石等超寬禁帶半導體材料成為新的行業熱點。相關題材的上市公司股價也一度隨之上漲。人們關注金剛石作為一種超寬禁帶半導體材料，其產業化的進程是否已經臨近？
“終極半導體”材料展現新的可能性
企查查專利摘要顯示，該發明涉及芯片制造技術領域，具體而言，涉及一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法。該發明實現了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎的硅/金剛石三維異質集成。
當前，金剛石的市場應用大致可分成三個方向，一是可以用作裝飾鉆石，相關用途人們較為熟悉；二是可以做成金剛石膜，這是一種優質的散熱材料；三是經摻雜以后形成半導體材料。這一應用領域尚處于實驗階段，但其發展前景被業界廣泛看好。據專家介紹，金剛石被視為“終極半導體”材料，具有超寬禁帶、高導熱系數、高硬度的特點。但由于硬度最高，實現半導體級別的高純凈度也最為困難，實現產業化還有相當的距離。
業界一般將禁帶寬度大于2.3電子伏特（eV）的半導體材料稱為寬禁帶半導體材料。碳化硅是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，氮化鎵則緊隨其后。與此同時，業界也在積極開發新的寬禁帶半導體材料。金剛石具有更寬的禁帶寬度，成為國際前沿研究熱點。中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟相關報告顯示，金剛石半導體材料的禁帶寬度達5.45 eV，熱導率是已知半導體材料中最高的，因而是一種極具優勢的半導體材料，可以滿足未來大功率、強電場和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導體器件的理想材料。在智能電網、軌道交通等領域有著廣闊的應用前景。
北京科技大學新材料技術研究院教授李成明表示，相對于硅材料、氮化鎵、碳化硅等，金剛石除了禁帶寬度以來，最大優勢在于更高的載流子遷移率(空穴:3800 cm2•V-1•s-1，電子:4500 cm 2•V-1•s-1) 、更高的擊穿電場(＞10 MV•cm-1 )、更大的熱導率( 22 W•K-1•cm-1)，其本征材料優勢是具有自然界最高的熱導率以及最高的體材料遷移率，優異的電學特性承載了人類將金剛石稱為終極半導體的巨大期望。
華芯金通半導體智庫創始人吳全也指出，金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質，人類很早就已發現，其主要成分是碳元素。而碳作為元素一直是人們研究的重點。基于晶體結構及其成鍵方式的變化，碳元素形成了或可調諧成不同性質參數的物質或材料。如今面臨新一輪科技革命和產業變革，人類對半導體材料和物質的需求進一步泛在與放大。金剛石擁有熱導率最高和導電半導體性能調諧表征的特點，因此，受到科學界和產業界關注的熱度在不斷升溫。華為是全球科技創新和產業應用的引領者。圍繞金剛石領域，華為積極專利布局，甚至產業布局，是順勢而為和必要之舉。
材料和器件方面均有新突破
從研發進展情況來看，由于金剛石的性能優勢，人們很早就開啟了對金剛石的研究。20世紀70年代，美國科學家開發出利用高溫高壓法（HPHT）生長小塊狀金剛石單晶，開啟了金剛石研究的熱潮。近年來隨著后摩爾時代的來臨，人們在新材料領域的研發投入不斷增長，也加速了金剛石等超寬禁帶半導體材料的開發。
根據專家介紹，近年來金剛石功率電子學在材料和器件方面均有新的技術突破。在材料方面，采用高溫高壓法制備的單晶金剛石直徑已達20mm，且缺陷密度較低。如果是采用化學氣相沉積(CVD)法，同質外延生長的獨立單晶薄片具有缺陷密度低的特點，最大尺寸可達1英寸；采用“平鋪克隆”晶片的馬賽克拼接技術生長的金剛石晶圓可達2 英寸。而采用金剛石異質外延技術的晶圓可達4 英寸。如果是低成本的異質外延CVD 法，金剛石多晶薄膜的發展和應用已很活躍，晶圓已達8 英寸，已可作為導熱襯底，用于新一代GaN功率電子器件。
金剛石材料的摻雜技術是形成功率器件的基礎，一直也是研究的熱點。由于金剛石的密排結構與小間隙。傳統的元素摻雜技術通常會引起金剛石嚴重的晶格畸變，并導致深能級摻雜，室溫載流子激活困難。因此過去20多年來，N 型摻雜技術一直被認為是一個難點。近期相關報道顯示，N型摻雜金剛石材料取得突破性進展，摻雜濃度達1020 cm-3。
金剛石器件方面的研究也有諸多進展。資料顯示，金剛石二極管已有初步的實驗應用，金剛石MOSFET 和氫終端射頻FET 的研究明顯加快，4 英寸多晶金剛石上的GaN HEMT 獲得突破性進展。從材料生長、器件結構、器件工藝等方面，金剛石的研發都有很大的進展，這為金剛石早日得到真正市場應用開啟了新的契機。
硬度、導熱等材料屬性拔高產業化難度
盡管未來前景廣闊，目前金剛石仍處于基礎研究尚待突破階段，在材料、器件等方面都有大量科學問題尚需攻克。對此，吳全就指出，從實驗室研究到生產制造來講，金剛石與其他半導體的程序性流程并無太大差異。就“一代材料，一代工具，一代設備，一代工藝，一代器件，一代產品、一代系統”的通常延展式研究和開發鏈條來講，金剛石的材料屬性，尤其是硬度、導熱、寬帶隙的特征，拔高了各個環節的難度和門檻。如，長晶時間長、晶圓尺寸尚小、切割難度尚大，以及由此引發的成本偏高，諸如系列因素致使金剛石在全球半導體領域的應用仍處于前期預研或產業化的早期階段。
“我國在金剛石的產業化上擁有很好的基礎與優勢，擁有全球金剛石行業規則制定及產品定價的話語權，金剛石單晶、微粉和制造的市場占有率超過90%，制作成砂輪、切割線、刀具等多種形態產品，廣泛應用于下游石油鉆探、石材切割、光伏切割等市場，使用范圍廣、應用場景多，也出現了如惠豐鉆石、黃河旋風、岱勒新材和美暢股份等若干家金剛石相關的上市公司。下一步的發展重點，更多在半導體領域。國內廠家對發揮金剛石電子電力即半導體性能的認識上，與國際基本同步。但受限于國內半導體工具、裝備及其工藝水平的爬坡，或者說與國外的差距，我們在這塊尚未形成突破或優勢，瓶頸仍在半導體范疇。”吳全表示。
相關行業專家也指出，未來金剛石材料和功率器件的發展重點應集中在幾個方向：首先是要開發出滿足功率半導體器件制造要求的2～4英寸金剛石單晶襯底制備技術。特別是應重點突破2～4英寸金剛石單晶材料技術，材料質量可以滿足金剛石功率器件研發的需求。其次是在高質量金剛石N型摻雜技術方面進一步取得突破，提高電子和空穴遷移率，為研制金剛石功率器件奠定基礎。第三是掌握金剛石器件研制的核心關鍵工藝，研制出高性能的金剛石功率器件,提高穩定性。開展金剛石材料和器件關鍵設備的研發，獲得自主知識產權，并實現商業化。
