在不遠的將來，“人手一顆鉆石”可能不再是遙不可及的夢想。不過，這顆鉆石不是裝飾品，而是作為每一臺電子設備心臟——芯片——的部件。2023年，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公司創造出了世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），開啟了一場可能顛覆整個半導體行業的技術革命。按照該公司的規劃，在2023年以后，他們計劃在每個芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動鉆石材料在半導體行業的應用，如用于制造晶體管或其他半導體元件的基底材料。
鉆石，成為半導體終極材料
自1959年硅晶片誕生以來，半導體工業不斷地突破和創新。從硅發展到現在大火大熱的碳化硅（SiC）/氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體材料，再到對氧化鎵的探索，產業界始終在探索具有更優導熱和電絕緣性能的新材料，以應對不斷升級的技術要求。而鉆石晶圓，就目前已經探到的材料而言，可以說是終極的半導體材料了。
眾多周知，整個半導體產業遵循著摩爾定律已經來到了3納米，蘋果的3納米芯片已經伴隨iPhone15 Pro和Pro max悄然到了消費者手中。隨著我們正在向2納米、1納米甚至是埃米（Angstrom，1埃=十億分之一米）級別邁進。依靠現在的硅基材料顯然是有很大難度的，物理極限的問題不斷顯現，熱挑戰也在困擾著行業。與當今現有的材料相比，鉆石展現了其多項超群的特性。
首先，按照DF公司的說法，他們可以實現將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導體產業未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的技術基礎。
其次，單晶鉆石是已知熱導率最高的材料。典型的硅的熱導率為150W/（m·K），銅（Copper）是380W/（m·K），而鉆石的熱導率遠高于硅和銅，高達2400W/（m·K），，這就意味著它能更有效地傳導熱量，使集成電路能夠更快地運行且壽命更長。
鉆石還有一個很大的優勢是極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不造成電擊穿。作為對比，硅材料的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm。而且即使是非常薄的鉆石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。這對于功率電子學領域中的器件微型化是非常重要的。
因此，憑借極高的導熱性和電絕緣性以及可與集成電路晶圓直接粘合的特點，使得鉆石成為理想的半導體基底材料。
世界上首個110克拉、晶圓大小的鉆石是如何制造出來的？
創造出世界首個DF公司的創始團隊由麻省理工學院、斯坦福大學和普林斯頓大學的工程師組成，大約2012年之前，他們還是一家太陽能發電科技公司，但是該公司由于某些原因在商業上失敗了，然而他們卻發現類似太陽能的技術卻可以生產更高價值的鉆石。因此，自2012年開始，該團隊開始設計生長鉆石的等離子體反應器，2014年啟動了第一個等離子體反應器。2015年他們生產出了第一顆單晶鉆石。2016年他們的鉆石開始大量生產，被消費者搶售一空。事實證明，鉆石確實是一門好生意，很快該公司就實現了盈利。
他們開始制造越來越大的鉆石，并開始追求半導體晶圓大小的鉆石。2023年10月，他們成功制造出了世界上第一塊單晶鉆石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。
這不是易事，長期以來，生產晶圓大小的單晶鉆石一直是難以實現的技術圣杯。單晶鉆石的制造過程一直受到兩大技術挑戰的制約：
一方面，使用傳統的高壓高溫（HPHT）技術培育大尺寸單晶鉆石所需承受的壓力遠超任何已知材料的極限；
另一方面，按照單晶材料生長的基本原則：在生長單晶材料時，通常需要一個已有的同種材料的單晶體作為“種子”，這個種子會指導新添加的原子在何處正確地定位自己，以保持原有的晶體結構不變。簡單來說，就像是在已有的秩序排列的隊列中加入新成員，如果沒有一個明確的示范，新來的成員就不會知道如何加入隊列以保持隊列的整齊。在單晶生長的情況下，這種“隊列”的秩序是原子排列的規則性和周期性，也就是晶格結構。如果沒有一個模板來指導這種秩序的創建，那么新增加的原子就無法形成所需的單晶結構，可能會導致多晶或非晶結構的形成，這些結構的性質與單晶大不相同。
因此，要想采用薄膜原子分層技術制造鉆石則需要一個與晶圓同樣大小的基體來指導原子沉積，但世界上并不存在晶圓大小的鉆石，必須要弄清楚如何制造第一個用于生產更多晶圓的“母”晶圓。
DF公司首先采用了一種稱為鉆石晶圓異質外延的極其復雜的技術，據其官網的描述：“我們制造的設備能夠精確控制十個原子層如何撞擊硅晶片上銥和釔穩定氧化鋯的納米級特殊夾層，我們設法讓前十個原子誤以為底部有單晶鉆石，而實際上并沒有，從而為后續單晶鉆石的制造奠定了基礎。”
然后在其等離子體設備中利用晶錠生長反應堆技術，嚴格控制鉆石單晶的生長過程。據悉，他們為生產的每克拉鉆石收集超過10億個數據點，在生長過程中動態調整這些參數。
實現單晶鉆石晶片的挑戰并不止于制造出晶圓大小的母晶。接下來的挑戰是如何切割地球上最堅硬的材料。他們為此又開發了晶圓切割機，用來將單晶鉆石錠切割成薄片。
接下來就是要對切割下來的薄片進行表面拋光。為了能夠嵌入原子尺寸的晶體管，鉆石晶圓片也必須要滿足現在半導體晶圓的表明要求。
為了能將他們制造的鉆石晶圓應用到半導體行業當中去，DF公司又開發了芯片鍵合技術。能與當今眾多的大功率硅芯片、SiC功率芯片以及GaN通信芯片直接進行原子化連接。為更多的應用帶來無限的潛力。
可以說，DF這家公司以其革命性的技術，已經打通了鉆石材料在半導體行業應用的全流程。接下來就看其在各應用當中的潛力了。
鉆石，要革芯片散熱的“命”
在當下人工智能、云計算和電動汽車和無線通信等領域，復雜的芯片設計使得熱管理成為一大挑戰，尤其是在高性能計算任務中，這種熱量的產生尤為顯著。如果熱量不能有效散發，會在芯片上形成“熱點”，長期存在熱點會影響芯片的穩定性和壽命。但是鉆石的高熱導率可以幫助快速均勻地分散這些熱點，并幫助芯片上產生的熱量散發出去。由于熱效率的提高，芯片則可以在更高的頻率下穩定運行而不會過熱。這將使得芯片的處理速度可以提高，實現更快的計算速度。所以，鉆石材料最大的優勢是通過使用最終的熱量散發解決方案來加速硅芯片的性能。
據DF描述，鉆石晶圓在芯片內的高工作負荷晶體管的原子級距離內提供一個熱量超高速通道，按照理想散熱的情況分析，能使人工智能和云計算領域的硅芯片速度提升3倍。按照他們所剖出的原理圖，他們將原本被動硅的部分替換成為鉆石，使用鉆石基板作為熱導層，在晶體管工作產生熱量時，熱量可以更快速、更有效率地從活躍硅層傳遞到銅層并散發出去。
芯片散熱的原理：熱量從活躍硅層產生，需要通過被動硅層傳導到銅層，然后散發出去（圖源：DF公司）
在電動汽車領域，逆變器是核心之一。目前電動汽車的代表特斯拉的Tesla 3逆變器可以說是業界最小型的逆變器，但是基于鉆石晶圓的導熱性和電絕緣性的極端特性使得新穎的架構能夠從根本上推進小型化、效率和魯棒性。據DF公司稱，他們所打造的新型逆變器比Tesla 3的逆變器尺寸縮小六倍（如下圖所示），而且還超越了其性能和效率。第一批DF Perseus原型已經在一級汽車 OEM 實驗室中完成并成功進行了測試。
我們都知道，GaN在高效無線通信領域的應用越來越重要，如果將鉆石與GaN結合使用，使用鉆石晶圓的GaN MOSFET能夠達到非鉆石GaN設備的三倍功率密度。這是因為鉆石基底能顯著提高散熱效率，降低因高功率運作而產生的熱應力。此外，通過在設備中將GaN原子與DF單晶鉆石互連，不僅增強了其熱傳導效率，還大幅提高了整個設備的可靠性和穩定性。
結語
綜上所述，鉆石材料的采用很可能會成為當今高性能計算應用領域技術進步的一個重要推動力。然而，面臨的挑戰同樣不容小覷，尤其是成本問題——“鉆石”二字往往讓人聯想到高昂的價值。不過，我們可以從SiC材料的發展歷程中汲取啟示。早期，SiC的成本和良率問題確實使得許多產業望而卻步，但隨著時間的推移，憑借業內多家企業和專家的持續努力，SiC技術的成熟進展速度已經取得令人矚目的成果。類似的努力也在日本針對鉆石量產技術的研究中體現。我們有理由相信，在眾多行業共同推動下，鉆石材料將為我們的科技生活帶來深遠的影響。