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替代硅片？有公司推出了12英寸的鉆石晶圓

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2022-03-18 02:26:59 8

一家專門從事合成、實驗室培育的電子級鉆石材料的制造和應用的科技公司AKHAN Semiconductor 日前宣布，公司面向半導體、電信、消費行業(yè)和全球市場展示了能夠制造 300 毫米互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 鉆石晶圓。
他們指出，這個行業(yè)突破性的 300 毫米 CMOS 鉆石晶圓將增強各行業(yè)電子產(chǎn)品的功率處理、熱管理和耐用性，但卻不會對制造商現(xiàn)有的制造工藝做出任何改變。
由于其固有的特性，鉆石被證明是最理想的半導體材料，遠遠超過硅的能力，硅是六十年來的行業(yè)標準材料。為了生產(chǎn)*上最先進的技術(shù)，半導體制造商傳統(tǒng)上依賴 300 毫米硅晶圓，盡管硅已經(jīng)達到其物理極限。隨著全球工業(yè)超越摩爾定律，生產(chǎn) 300MM 金剛石晶圓的能力對半導體制造商至關(guān)重要，尤其是在航空航天、電信、軍事和國防以及消費電子等先進行業(yè)。
“今年半導體芯片短缺的情況已得到充分證明，”AKHAN 董事會* Tom Lacey 說。“隨著美國計劃增加芯片供應，使用最好的材料進行制造以實現(xiàn)最佳性能也很重要。”
“AKHAN 的 300 毫米鉆石晶圓是基礎(chǔ)構(gòu)建塊，它將帶來更強大、更耐用的設(shè)備，且其運行溫度更低，制造商只需對其現(xiàn)有制造工藝進行小幅更新，”AKHAN 半導體創(chuàng)始人 Adam Khan 說。“從武器系統(tǒng)到航天器，*上最先進的設(shè)備和技術(shù)都將從鉆石中成倍受益。現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了在 300MM 晶圓上制造這種理想材料的能力，制造商將可以使用最優(yōu)化的芯片材料，從而使他們的最終產(chǎn)品更高效地運行。”
隨著美國根據(jù)當前的全球短缺情況評估半導體供應鏈并努力重新奪回其在這一關(guān)鍵領(lǐng)域的領(lǐng)導地位，政策制定者必須優(yōu)先考慮通過創(chuàng)新和開發(fā)采用金剛石等材料的下一代芯片來超越硅的公司。除了鉆石的先進能力之外，美國的對手還了解這種令人垂涎的寶石有多么強大，并且正在優(yōu)先開發(fā)用于先進武器的材料。

鉆石IC準備大顯身手

我（AKHAN Semiconductor 創(chuàng)始人）的“啊哈”時刻發(fā)生在 2004 年，當時，作為芝加哥伊利諾伊大學物理和工程雙學位的大三學生，一篇研究論文引起了我的興趣。那是關(guān)于鉆石作為電子材料可以發(fā)揮的作用——當時這是一個非常未知的領(lǐng)域。然而那時我意識到鉆石技術(shù)可以引發(fā)電子行業(yè)的翻天覆地的變化，我知道我想在使鉆石半導體成為現(xiàn)實方面發(fā)揮作用。
自 1960 年代以來，硅一直是半導體的*材料選擇，它仍然占市場上可用設(shè)備類型的 95%以上。但它提出了幾個長期挑戰(zhàn)。也許更為人所知的問題，通常被表達為“摩爾定律”，它強調(diào)了更小、更快的電子產(chǎn)品在物理上受到硅能力限制的趨勢——簡單地說，市場上設(shè)備的速度和尺寸幾乎是材料所能達到的*最好的表現(xiàn)。硅面對的更緊迫和可見的問題是熱量問題。從歷史上看，硅半導體器件的熱管理已被證明對電力電子產(chǎn)品存在問題。所需的冷卻方法效率低下，是電子垃圾的主要來源。
為此我們定義了鉆石半導體。曾經(jīng)被認為是電子產(chǎn)品的“圣杯”，如今已成為真正的替代品，既可作為硅補充劑，也可作為獨立的半導體平臺材料。鉆石不再僅僅被降級為寶石，而是為電力電子發(fā)展和更廣泛的全球電子行業(yè)未來未知數(shù)年提供了路線圖。
事實上，許多人認為該行業(yè)正在進入鉆石時代的黎明。他們相信，具有*電子特性的*上最堅硬的天然材料將使各種行業(yè)的性能更上一層樓。它即將成為生產(chǎn)當今最先進工業(yè)產(chǎn)品的公認選擇——而它在消費電子產(chǎn)品中的應用則緊隨其后。
為什么是鉆石？因為它可以在不降低性能的情況下運行得更熱（是硅的 5 倍以上），更容易冷卻（傳熱效率是硅的 22 倍），在擊穿前可以承受更高的電壓，并且電子（和電子空穴）可以更快地穿過它們。已經(jīng)有使用鉆石材料的半導體器件提供的電流是硅或以前嘗試使用鉆石的一百萬倍。
基于鉆石的半導體能夠提高功率密度，并制造出更快、更輕、更簡單的設(shè)備。它們比硅更環(huán)保，可提高設(shè)備內(nèi)的熱性能。因此，半導鉆石材料市場很容易超過碳化硅市場，由于性能、成本以及與現(xiàn)有技術(shù)的直接集成到硅平臺。
半導體行業(yè)的歷史可以追溯到 1833 年，當時英國自然哲學家邁克爾法拉第描述了他發(fā)現(xiàn)硫化銀晶體中導電性隨溫度升高的“特殊情況”。但直到本世紀，鉆石才開始受到重視。
自從那篇研究論文引起我的興趣十多年后，我的公司 AKHAN SEMI 與阿貢*實驗室合作，開發(fā)了一系列先進的技術(shù)，使我們能夠制造獨立的鉆石材料，將鉆石直接沉積在加工過的硅上，制造完整的鉆石半導體器件，以及將鉆石材料附著到其他電子材料上。
鉆石晶圓技術(shù)正在生產(chǎn)更薄、更*的設(shè)備，這些設(shè)備已經(jīng)在信息技術(shù)、軍事和航空航天應用中使用。此外，鉆石半導體最早將從 2015 年開始對消費電子、電信和健康行業(yè)等產(chǎn)生重大影響。
汽車制造商正在關(guān)注鉆石功率器件在電動汽車控制模塊中的應用。鉆石半導體還可以幫助更好地管理各種設(shè)備的電池壽命和電池系統(tǒng)，包括手機、相機和車輛。
對于存儲在以極其浪費的方式消耗大量能源的數(shù)據(jù)中心的云計算機服務器，鉆石半導體在提供更好性能的同時更有效地使用更少的能源。由于鉆石技術(shù)縮小了半導體所需的尺寸和能量，它為從洗衣機和烘干機到電視和數(shù)碼相機等小型個人電子產(chǎn)品鋪平了道路。至于防御技術(shù)，它可以在正常和極端/危險的操作環(huán)境中提供更大的范圍、可靠性和性能。
因此，鉆石半導體在其應用中具有更大的范圍和能源效率。它們有助于推動更*、更快速的云集成，以滿足消費者和企業(yè)的需求。它們改變了在何處以及如何使用我們的手機、筆記本電腦和其他尚未發(fā)明的個人電子設(shè)備的能力，其好處遠遠超出了性能。鉆石半導體等電力電子設(shè)備代表了減少電子廢物和將電子冷卻成本減半的巨大機會。
眾所周知，鉆石是在自然界中經(jīng)過相當長的一段時間形成的，在公開市場上花費數(shù)千美元。然而，實驗室制造的鉆石可以在*任何地方的工廠環(huán)境中使用宇宙中最豐富的一些分子清潔且經(jīng)濟地生產(chǎn)：甲烷和氫氣，它們很容易獲得。我最熟悉的工藝是我公司采用的工藝，并在阿貢*實驗室使用，在該工藝中，甲烷和氫等離子體暴露于微波能量中，以在不同尺寸、厚度和不同材料上形成非常薄的鉆石材料，例如硅、藍寶石、玻璃等。
一旦形成，利用這些薄鉆石薄膜材料（大約是人類頭發(fā)直徑的 1/70），我們能夠改變電子特性并形成比*的硅對應物薄一千多倍的器件結(jié)構(gòu)。最先進的鉆石，但也提高了性能，讓更小、更快、更實用的趨勢得以延續(xù)。

在短短十年內(nèi)，隨著硅達到臨界點，鉆石材料正在取而代之。是時候?qū)⒒鹁鎮(zhèn)鬟f給鉆石了——這是一種*的材料，將使下一代創(chuàng)新者能夠創(chuàng)造出更快、更強大和更環(huán)保的電子產(chǎn)品。

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