金剛石具有比硅速度快、功耗小、質(zhì)量輕、厚度薄等諸多優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有巨大前景。美國(guó)初創(chuàng)公司Akhan半導(dǎo)體公司已獲美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的金剛石半導(dǎo)體工藝授權(quán)，再結(jié)合自身在金剛石領(lǐng)域的技術(shù)突破，計(jì)劃成為首個(gè)真正實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)品化的公司。

1、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的追夢(mèng)之旅

早在2000年之前，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)就金剛石化學(xué)氣相淀積（CVD）展開(kāi)試驗(yàn)，并成立了先進(jìn)金剛石技術(shù)（Advanced Diamond Technologies）公司。該公司和創(chuàng)新微技術(shù)（Innovative Micro Technology）公司合作制造出金剛石微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），并促進(jìn)了SP3金剛石技術(shù)（SP3 Diamond Technologies）等金剛石晶圓專(zhuān)業(yè)公司生產(chǎn)用于淀積金剛石晶體的CVD設(shè)備。雖然截止目前，金剛石最大的應(yīng)用還是在珠寶、研磨料和人造鉆石等領(lǐng)域，但阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室仍努力尋求可使金剛石（自然的絕緣體）變?yōu)榘寻雽?dǎo)體和導(dǎo)體的方法，以此為所有的金剛石芯片鋪平道路。

2、Akhan半導(dǎo)體公司的圓夢(mèng)技術(shù)

金剛石半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的最大問(wèn)題是制造P型晶體管容易、制造n型晶體管困難，Akhan半導(dǎo)體公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Adam Kahn提供了“Miraj金剛石平臺(tái)”作為解決方案，可實(shí)現(xiàn)P型和N型器件，使得制造出金剛石互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）成為可能。該工藝平臺(tái)的技術(shù)核心是，通過(guò)在P型器件中摻雜磷(phosphorous)、在N型器件中摻雜了鋇(barium)與鋰(lithium)，帶來(lái)P型和N型性能相當(dāng)?shù)目烧{(diào)電子器件，并因此發(fā)展出金剛石CMOS。

Akhan半導(dǎo)體公司采用CMOS金剛石半導(dǎo)體工藝制造出的首個(gè)器件是金剛石PIN二極管，厚度打破記錄地薄至500納米，性能比硅高100萬(wàn)倍，還比硅薄100倍，原因在于金剛石的帶隙比碳化硅和氮化鎵還要寬；在熱分析結(jié)果顯示，該P(yáng)IN二極管中沒(méi)有熱點(diǎn)（hot spot），因此沒(méi)有硅PIN二極管中的寄生損失。

左圖為Adam Kahn，右圖為硅晶圓上金剛石樣品

Akhan半導(dǎo)體公司還展示了100GHz器件。金剛石具有超低阻值，減少散熱需求，還可淀積在硅、玻璃、藍(lán)寶石和金屬襯底上，有望重新激發(fā)微處理器運(yùn)算速度的演進(jìn)。此前，由于無(wú)法有效散熱，微處理器的運(yùn)算速度在5GHz左右已徘徊了10年。對(duì)于硅材料，5GHz是一個(gè)極限，因?yàn)楦叩墓暮蜔狳c(diǎn)會(huì)將微處理器化為泡沫，而金剛石有著22倍于硅、5倍于銅的熱傳導(dǎo)能力，將使微處理器的運(yùn)算速度達(dá)到新的高度，催生新一代微處理器。

金剛石技術(shù)還將使摩爾定律得到延續(xù)。Akhan半導(dǎo)體公司展示的100GHz芯片使用的特征尺寸是100s納米，在金剛石面臨單原子級(jí)之前還有十二代可縮小空間，而硅則將在2025年達(dá)到原子級(jí)發(fā)展極限。

3、Akhan的發(fā)展計(jì)劃

公司目前的目標(biāo)應(yīng)用集中在工業(yè)用功率電子、軍用可調(diào)光學(xué)、消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)光學(xué)等。金剛石在其中作為絕緣體和半導(dǎo)體，并使用氧化銦錫（ITO）進(jìn)行互聯(lián)；制造工藝包括與硅相同的光刻、刻蝕和金屬化步驟，只是對(duì)金剛石淀積步驟進(jìn)行了調(diào)整。

公司最終的目標(biāo)是激活處理器處理速度的演進(jìn)步伐，使其越來(lái)越快，以及滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。金剛石散熱效率高，與現(xiàn)有硅基5GHz微處理器相比，在消耗相同功率的情況下，金剛石或者可以顯著減少熱量，或者可將運(yùn)算速度提升到亞太赫茲領(lǐng)域。

除此之外，Akahn還計(jì)劃進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，但不用氮真空方法，而是使用其特有的摻雜技術(shù)，但該技術(shù)目前保密。

4、Akhan目前的工作

Akhan半導(dǎo)體公司已獲得天使投資和私人資產(chǎn)公司投入的約250萬(wàn)美元研發(fā)資金，并計(jì)劃于今年進(jìn)行A輪融資，吸引金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域的注意力。

目前的工作重點(diǎn)是12英寸晶圓功率器件，已進(jìn)入試產(chǎn)階段。Akhan半導(dǎo)體公司使用的是輕工廠模式，即公司只進(jìn)行小/中尺寸流片，然后在大的代工廠投入量產(chǎn)；還在嘗試拓展金剛石MEMS器件領(lǐng)域，特別是高端手機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)諧天線(xiàn)使用的電容性開(kāi)關(guān)陣列。公司希望在2017年國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上展出全球首款采用金剛石CMOS工藝的半導(dǎo)體產(chǎn)品。

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