金刚石半导体研发进展
1、2023年12月,太原理工大学周兵课题组和武汉大学袁超课题组合作,在金刚石/氮化镓薄膜生长工艺与热物性表征领域有了新的研究进展,研究了MPCVD中通过控制形核偏压和生长温度对金刚石/氮化镓多层结构中微观结构和热物性的调控。结果表明,通过控制金刚石生长工艺条件来调控金刚石/氮化镓多层结构中的热物性结果是可行且有效的。这项工作进一步优化了氮化镓表面金刚石的MPCVD生长工艺,并有望为氮化镓HEMTs实现高效的散热从而提升器件性能提供一种潜在的方案。
2、2023年11月,哈尔滨工业大学与华为专利,是“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”。这项专利涉及芯片制造技术领域,主要是实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。三维集成技术能实现多芯片、异质芯片集成等多层堆叠的三维(3D)集成,但电子芯片的热管理面临极大的挑战。
3、2023年10月,Diamond Foundry公司首先采用了一种称为钻石晶圆异质外延的极其复杂的技术,创造了世界上首个单晶钻石晶圆,直径100毫米、重110克拉。DF公司可以实现将钻石直接以原子方式与集成电路晶圆粘合,晶圆厚度可以达到埃米精度,也为半导体向纳米甚至埃米级打下了基础。同时,DF公司宣布已开发出一款电动汽车逆变器,利用其金刚石晶圆技术实现更高效的电动汽车。这种新的小型化水平是通过由金刚石晶圆与成熟的碳化硅芯片组成的智能设计实现的。
4、2022年,日本佐贺大学嘉数教授与精密零部件制造商日本Orbray合作开发出了用金刚石制成的功率半导体,并以每平方厘米875兆瓦的电力运行。在金刚石半导体中,输出功率值为全球最高,在所有半导体中也仅次于氮化镓产品的约2090兆瓦。此外,Orbray研发了一种以蓝宝石(Sapphire)为衬底,异质外延生长(Heteroepitaxial Growth)金刚石晶圆生长方法,如今已经成功制备出直径为2英寸的晶圆。
部分金刚石半导体相关公司规划
1、晶钻科技。晶钻科技自2013年成立以来,一直致力于研究开发大尺寸CVD单晶及多晶金刚石材料的生产及应用。目前,晶钻科技自研的MPCVD金刚石生长设备经过不断升级迭代,已实现2英寸以上高品质、低缺陷密度单晶金刚石的产业化生产,实现高精密可控气体掺杂,可满足高端功能器件的掺杂要求,能根据不同应用场景提供产品定制化服务。
2、DF的发展规划。单晶金刚石晶圆是解决限制人工智能和云计算芯片、电动汽车电力电子和无线通信芯片的热挑战的终极新技术组件。2013+,将可持续创造的钻石引入开采的钻石,无论在哪里开采;2023+,引入单晶金刚石晶圆,并在每个芯片后面放置一颗金刚石;2033+,引入金刚石作为半导体,并发挥其17,200倍于硅的半导体优势。
3、日本初创OOKUMA公司。计划将金刚石半导体推向实用化,最早将在2026年度投产。日本佐贺大学的研究表明,与现在主流的硅基半导体相比,金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作。性能比常见的第三代半导体碳化硅和氮化镓出色。报道称,OOKUMA公司生产的金刚石半导体器件将首先用于福岛第一核电站的核废料处理。为查看和清理福岛第一核电站堆芯熔毁后留下的熔融燃料,OOKUMA公司计划以处理核电站废堆为契机量产金刚石半导体,为力争应用于卫星通信,该公司与三菱电机等启动了联合研究,年内还将与日本厂商推进用于纯电动汽车器件的开发。
4、国机精工。国机精工与河南省新材料投资集团有限公司以国机精工现有超硬材料业务为基础共同组建金刚石公司。未来几年,国机精工发展前景和利润贡献比较大的业务主要有:一是精密特种轴承业务,随着我国航天以及国防事业的发展,有望持续拉动该部分业务增长;二是超硬材料磨具业务,较为看好在半导体封装领域进一步发展的机会;三是MPCVD法生产大单晶(多晶)金刚石业务,如果该部分业务的应用场景在未来逐步落地,将为整个金刚石行业发展开辟新的较为广阔的发展空间。
5、四方达。公司深耕复合超硬材料二十年,一直专注于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的复合超硬材料企业。相关研究显示,高品质大尺寸超纯CVD金刚石可用于珠宝首饰、精密刀具、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,公司自主研发的MPCVD设备及CVD金刚石工艺用于生产高品质大尺寸超纯CVD金刚石。公司将CVD功能性金刚石业务作为公司重要战略方向,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。
6、中兵红箭。公司正在研发金刚石半导体衬底材料(芯片晶圆原材料),目前采购该类产品均为高校、研究所客户,主要用于器件工艺开发和研究,我们尚处于实验室阶段,下游半导体应用领域相关的器件技术也处于试验论证阶段,该类型产品距离规模化市场应用还有很长一段路要走,尚未实现量产。
7、沃尔德。公司能够掌握三大CVD金刚石生长技术(热丝CVD/直流CVD/微波CVD),在热沉器件、污水处理电极、医疗器件等CVD工业领域已率先实现应用,光学窗口技术端突破。公司已经掌握CVD法三大制备工艺,共有MPCVD设备100台。单晶金刚石热沉产品用于5G微波射频功率放大器的散热,已完成客户的两轮测试。
8、惠丰钻石。2022年8月成功研发出CVD培育钻产品,达可售标准。
9、晶盛机电。MPCVD设备生产、晶体生长。研发团队成功完成10克拉高品级人造钻石的培育。
10、力量钻石。公司的金刚石单晶和金刚石微粉大量供给国内知名线锯生产企业,公司IC芯片加工用八面体金刚石拥有全系列核心技术知识产权,拥有相关专利5项,可用于半导体加工制程中的CMP工艺。力量钻石内部人士表示,公司目前已有产品可以用在芯片加工上。
11、黄河旋风。公司的金刚石在禁带宽度、电子迁移度、热传导率等诸多方面远远出色于其他半导体材料,被誉为“终极功率半导体”。公司成立有自己的实验室,目前还在研发阶段。
12、中南钻石。公司已制备出大尺寸超高纯金刚石半导体晶片和金刚石多晶散热薄膜。
13、光智科技。光智科技对金刚石工艺仅处于研发阶段。
(注:企业排名不分先后)