近日，总部位于加利福尼亚州旧金山的Diamond Foundry Inc制造出了世界上第一块直径为 100 毫米的单晶金刚石晶圆。

晶圆（Wafer）的定义

晶圆是半导体的薄片，例如晶体硅 (c-Si)，用于制造集成电路。简单来讲，晶圆就是硅做的硅晶片，因为是圆形的，称为晶圆，它主要用于硅半导体集成电路。

那晶圆是怎么来的？又怎么被制造出来的？其实最初的来源是沙子，沙子里含有用之不竭的二氧化硅，后续就考虑用提纯硅来作为半导体材料。高温氧化（炭源来发生化学反应）、提纯（氯化反应，生成液体硅烷），制成高纯度的多晶硅，纯度高达99.999999999%，然后经过处理（旋转拉伸），做成圆柱形晶棒，用金刚石切成片，就做成了晶圆。后续的过程就是属于芯片制造的过程了，光刻（光刻胶）、离子注射、电镀、抛光、切片，然后再测试封装。

那平常经常提到的300mm/450mm、8英寸/12英寸晶圆，又是什么意思呢？

其实很好理解，这里的数据表达的都是晶圆的尺寸或直径，而毫米和英寸只是不同的计量单位而已。而尺寸或直径越大，代表晶圆越大，产出的芯片数量也就越多。

从1960年推出1英寸的晶圆，后来1992年推出8英寸晶圆，再到2002年推出了12英寸的晶圆，目前在450mm尺寸 晶圆的过渡上仍有相当大的阻力，且它的成本预计在300mm的4倍左右。

全球首个100mm的金刚石晶圆

近日，总部位于加利福尼亚州旧金山的Diamond Foundry Inc制造出了世界上第一块直径为 100 毫米的单晶金刚石晶圆。

该公司计划提供金刚石基板作为改善热性能的途径，这反过来又可以改善人工智能计算和无线通信以及更小的电力电子设备。

该公司使用一种称为异质外延的工艺来沉积碳原子，并在可扩展的基底上制造单晶金刚石。以前已经生产过金刚石晶片，但它是基于压缩金刚石粉末，缺乏单晶金刚石的特性。

Diamond Foundry 表示，其下一个目标是降低金刚石晶圆的缺陷密度，以实现比硅高 17,200 倍、比碳化硅高 60 倍的品质因数。Diamond Foundry 在华盛顿州经营一家钻石和晶圆生产工厂。

该公司成立于 2012 年，业务涉及珠宝和奢侈品市场以及半导体行业。该公司在其 Linkedin 网站上表示，已获得 5.15 亿美元的融资，并正在执行一项数十亿美元的扩张计划，利用零排放能源将温室气体转化为金刚石硅片。据他们所说，公司可以通过将金刚石以原子方式粘合到以埃级精度减薄的集成电路 (IC) 晶圆上，实现了最终的热芯片封装。

使芯片的计算速度提高三倍

从热导性上看，没有其他材料能像单晶金刚石那样有效地导热，从而使芯片运行得更快、使用寿命更长。这就让金刚石晶圆在工作芯片晶体管的原子距离内提供了一条热高速公路。它以理想的效率散热，减少热点并使芯片的计算速度提高三倍。

同时，这还是一个极端的电绝缘体，最薄的金刚石切片可以隔离非常高的电压，从而使电力电子器件的小型化达到新的水平。

得益于这些领先特性，Diamond Foundry认为公司的解决方案适用于所有领先的高功率芯片，经过验证的硅芯片与金刚石半导体基板的结合极大地加速了云和人工智能计算，这意味着使用数据中心一半的空间即可获得相同的性能。

这些优势也让其能简化逆变器设计，会因为金刚石晶圆的导热性和电绝缘性的极端特性使得新颖的架构能够从根本上推进小型化、效率和鲁棒性。

这个领先的设计也让其能在无线通信领域提供帮助。据介绍，GaN 半导体为越来越多的最有效的无线通信提供动力。但金刚石晶圆解决了过热和电压问题，使 GaN 在每一项指标上都优于 SiC。

而金刚石基 GaN MOSFET 的功率密度是不含金刚石的 GaN 的三倍。通过降低热应力以及将 GaN 原子互连到 DF （Diamond Foundry）单晶金刚石，提高了可靠性。类似的公司 Diamfab SA（法国格勒诺布尔）于 2019 年在欧洲成立。Diamfab 合成并掺杂在其他基板上生长的金刚石外延层，以期用金刚石制造卓越的功率器件。”

国内金刚石半导体发展现状

金刚石作为一种硬度极高的材料，最早人工制备的用途主要在刀具、钻头、磨具、线锯、锯片、拉丝模等工业加工耗材上。实际上，自1963年成功研制出第一颗人造金刚石后，经过60多年的发展，目前中国已经是世界上人造金刚石产量最高的国家，占全球总产量90%以上。

不过中国金刚石产业主要集中在中低端应用市场，就像前面提到的工业加工领域。当然，在珠宝领域的人造钻石市场也在国内蓬勃发展，但在功能性应用的领域，国内对金刚石材料的开发则较为落后。

西安电子科技大学芜湖研究院副院长王东曾在报告中提到，国内金刚石发展大而不强，在高端装备、电子级材料等众多领域处于落后。在CVD金刚石研究领域，从专利分布来看，美国、欧洲、日本的研究处于领先地位，我国发展相对缓慢，原创性研究偏少。

在“十三五”重点研发计划支持下，国内拼接外延大尺寸金刚石单晶已经达到国际并跑的水平；在异质外延单晶方面，国内已经取得开创性进展，但尺寸和质量仍存在较大差距，计划“十四五”实现追赶或超越。

其中，半导体应用中高载流子迁移率寿命乘积的电子级、探测器级单晶至今仍是英国元素六公司的垄断产品，国内仍有待攻克。

但作为一种新兴的材料，相比于硅基半导体，市场格局仍远未形成垄断，在半导体领域商业化仍未实现规模化，因此未来仍有很大的市场机会。

文章来源： 宽禁带联盟，电子技术应用ChinaAET，爱在七夕时