金剛石半導(dǎo)體商用加速！

8月2日消息，日本千葉大學(xué)的科學(xué)家宣布他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種使用激光制造金剛石晶片的方法，有望為下一代半導(dǎo)體提供動(dòng)力。

雖然目前硅仍然是半導(dǎo)體的主要材料，但是氮化鎵、碳化硅寬帶隙使半導(dǎo)體材料能夠在更高的電壓、頻率和溫度下更有效地發(fā)揮作用。隨著電動(dòng)汽車采用的加速，對(duì)寬帶隙的碳化硅元件需求也是越來(lái)越大。

相對(duì)于碳化硅來(lái)說(shuō)，金剛石擁有更高的禁帶寬度（高達(dá)5.45 eV），最大優(yōu)勢(shì)在于更高的載流子遷移率(空穴:3800 cm2V-1s-1，電子:4500 cm 2V-1s-1) 、更高的擊穿電場(chǎng)(＞10 MVcm-1 )、更大的熱導(dǎo)率( 22 WK-1cm-1)，其本征材料優(yōu)勢(shì)是具有自然界最高的熱導(dǎo)率以及最高的體材料遷移率，可以滿足未來(lái)大功率、強(qiáng)電場(chǎng)和抗輻射等方面的需求，是制作功率半導(dǎo)體器件的理想材料。在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

不過(guò)目前金剛石目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用尚有較大距離。金剛石材料的高成本和小尺寸是制約金剛石功率電子學(xué)發(fā)展的主要障礙。舉例而言，CVD 制備中摻氮的金剛石單晶薄片( 6 mm×7 mm) 的位錯(cuò)密度目前可低至400 cm-2 ; 但金剛石異質(zhì)外延技術(shù)的晶圓達(dá)4～8 英寸時(shí)，位錯(cuò)密度仍高達(dá)近107 cm-2量級(jí)，高缺陷密度仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

更為關(guān)鍵的是，金剛石還比較脆，難以加工。雖然金剛石的硬度非常高，但當(dāng)它破裂時(shí)，它們會(huì)以非常特殊的不規(guī)則方式破裂，這對(duì)于制造半導(dǎo)體晶圓來(lái)說(shuō)非常具有挑戰(zhàn)。

近期，由日本千葉大學(xué)工程研究生院Hirofumi Hidai教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組找到了解決這個(gè)問(wèn)題的方法。他們使用了一種新穎的基于激光的切片技術(shù)，可用于沿最佳晶體平面干凈地切割金剛石，從而生產(chǎn)光滑的晶圓。他們的工作在《金剛石與相關(guān)材料》雜志上發(fā)表的一篇文章中有詳細(xì)介紹。

包括金剛石在內(nèi)的大多數(shù)晶體的性質(zhì)都沿著不同的晶面變化，這些晶面是包含構(gòu)成晶體的原子的假想表面。例如，可以容易地沿著{111}表面切割金剛石。然而，切割{100}是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗矔?huì)沿著{111}解理面產(chǎn)生裂紋，增加切口損失。

為了防止這些不希望的裂紋傳播，研究人員開(kāi)發(fā)了一種金剛石加工技術(shù)，將短激光脈沖聚焦在材料內(nèi)狹窄的錐形體積上。Hidai教授解釋道，集中激光照射將金剛石轉(zhuǎn)化為密度低于金剛石的無(wú)定形碳。因此，激光脈沖修飾的區(qū)域密度降低，并且會(huì)形成裂紋。

通過(guò)將這些激光脈沖以方形網(wǎng)格模式照射到透明鉆石樣品上，研究人員在材料內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)由小裂紋易發(fā)區(qū)域組成的網(wǎng)格。如果網(wǎng)格中的改性區(qū)域之間的空間和每個(gè)區(qū)域使用的激光脈沖的數(shù)量是最優(yōu)的，則所有改性區(qū)域通過(guò)優(yōu)先沿著{100}平面?zhèn)鞑サ男×鸭y相互連接。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單地將鋒利的鎢針推到樣品的側(cè)面，即可輕松將具有{100}表面的光滑晶圓與塊體的其余部分分離。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是使金剛石成為下一代半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵一步。對(duì)此，Hidai教授表示，金剛石切割能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，是制造金剛石半導(dǎo)體器件所不可或缺的。因此，這項(xiàng)研究使我們更接近實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在社會(huì)中的各種應(yīng)用，例如提高電動(dòng)汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率。

Hidai 和千葉大學(xué)并不是唯一一家尋求利用金剛石來(lái)為下一代計(jì)算和通信技術(shù)提供動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。

2021年9月，AKHAN半導(dǎo)體（AKHAN Semiconductor）宣布制造了世界上第一個(gè)300毫米金屬氧化物互補(bǔ)半導(dǎo)體（CMOS）金剛石晶片。據(jù)報(bào)道，這項(xiàng)新技術(shù)將改善各種行業(yè)和制造工藝中電子產(chǎn)品的功率處理、熱管理和耐久性。

今年4月，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與戴比爾斯子公司 Element Six 合作開(kāi)發(fā)用于量子密鑰分發(fā)的合成金剛石。這個(gè)想法是在金剛石中設(shè)計(jì)缺陷（稱為色心），它可以吸收包含量子信息的光子，然后重新****它們。亞馬遜希望利用這一現(xiàn)象來(lái)創(chuàng)建中繼器，能夠?qū)⒘孔用荑€分發(fā)的范圍擴(kuò)展到其全球網(wǎng)絡(luò)。

在早些時(shí)候的一次采訪中，AWS 量子網(wǎng)絡(luò)中心負(fù)責(zé)人 Antia Lamas-Linares表示，距離量子網(wǎng)絡(luò)完成只有幾年的時(shí)間了。

編輯：芯智訊-浪客劍