人们都说钻石是女人最好的朋友,但它可能很快也会变成半导体产业最好的朋友!一家美国新创公司akhan semiconductor打算要透过从美国能源部旗下阿冈国家实验室(argonne national laboratory)授权钻石半导体制程来实现以上目标。
业界已知钻石半导体能支援更高速度、更低功耗,而且比矽材料厚度更薄、重量更轻,不过akhan semiconductor是第一家有机会实际了解其特性的公司;该公司在美国伊利诺州gurnee有一座8寸晶圆厂,预期将会在2017年的国际消费性电子展(ces)上,发表应用于某款消费性电子产品的钻石半导体ic。
阿冈国家实验室在2000年以前,曾使用化学气相沉积(cvd)技术进行实验,并独立出一家公司advanced diamond technologies,与mems代工业者innovative micro technology合作生产钻石mems,并激励钻石晶圆专家如sp3 diamond technologies打造能沉积出完美结晶(crystalline)钻石的cvd设备。
尽管到目前为止,钻石最成功的领域还是在珠宝、研磨以及人造钻石等其他工业用途;阿冈国家实验室仍继续寻找让钻石──是天然的绝缘体──进驻半导体的方法,以及能铺设到所有钻石晶片的导线,期望能让钻石半导体成真。以下影片是akhan semiconductor创办人暨执行长adam kahn叙述根据他自己的名字命名的公司之钻石半导体愿景:
到目前为止,钻石半导体商业化的最大障碍,是制造p型电晶体很容易,但制造n型电晶体很困难;这个问题已经被kahn解决。他将akhan semiconductor的制程命名为miraj钻石平台,可实现同时具备p型与n型元件的钻石cmos技术;而该公司也期望能推出全球首款相容cmos制程的钻石半导体。
kahn接受ee times美国版编辑专访时表示:“我们最近已经证实了相容cmos的钻石半导体──同时拥有p型与n型元件;我们成功制作了钻石pin [是p型-本质(intrinsic)、未掺杂(undoped)-n型接面(juction)的缩写]二极体,其性能是矽的百万倍,而且薄一千倍。”
其背后奥秘是在p型元件中共同植入磷(phosphorous),然后在n型元件中共同掺杂钡(barium)与锂(lithium),如此能实现两种元件性能相当的可调式电子元件,并催生钻石cmos;akhan semiconductor的第一款展示元件是钻石pin二极体,达到了破纪录的500奈米厚度。能达到如此成果的原因,是钻石这种材料具备超宽能隙(band-gap),甚至超越碳化矽与氮化镓。”
akhan semiconductor制作的矽晶圆上钻石(diamond on silicon)样本
“热分析结果显示,在我们的pin上没有热点(hot spots),所以没有像是矽pin二极体那样的寄生损耗(parasitic losses);”khan并展示了利用钻石超低电阻特性实现的100ghz元件,能沉积在矽、玻璃、蓝宝石或是金属基板上。这种高速度可能让处理器大战重新开打──在十年前其速度已经停滞在5ghz。
还记得在很多年前,每一代新处理器的时脉速度都会更高一级;5ghz对于矽材料来说是极限,因为该种材料的高耗电量以及高发热温度会把元件给融化;而kahn表示,钻石的导热性能是矽的二十二倍、铜的五倍。
akhan semiconductor的终极目标是让处理器竞赛重启,让其时脉速度能继续加快,但到目前为止他们专注于工业用电源元件、军事应用可调光学元件,以及利用钻石做为绝缘体与半导体的光学行动消费性应用;但是仍需要用到氧化铟锡(indium tin oxide,ito)做为触点。
kahn表示,他们尚未开发行动与消费性应用平台,但现在主要应用是需要更加散热效率的电力电子元件,就像矽元件那样运作──利用相同的微影、蚀刻与金属化步骤,只添加钻石沉积步骤。而该公司的终极目标,打造巨量资料处理应用的超高散热处理器;事实上,钻石cmos的高速度不需要付出高温的代价,也就是说,对资料中心来说,钻石处理器的发热能比同样5ghz速度的矽处理器大幅降低,甚至耗电量与矽差不多,速度还能进一步升高到次thz。
除了能解决目前资料中心遭遇的最大问题──散热,钻石的省电效益正是未来所需的特性;kahn并指出,钻石能沉积在玻璃或蓝宝石玻璃基板上,制作成完全透明的电子元件,实现透明手机等新一代消费性电子产品。
根据kahn的说法,摩尔定律(moore‘s law)的寿命也将再度进一步扩展,因为该公司的100ghz展示晶片是采用100奈米制程节点,意味着钻石在遭遇矽将于2025年面临的单原子等级之前,还可以乎有12代的制程微缩。
配备钻石散热片的电路板样本(晶片可以直接放在散热片上)
“我们目前正专注于以12寸晶圆制作电源应用元件,期望能在大量生产以后降低制造成本;”kahn表示:“我们的电源元件已经在晶圆厂进入试产阶段,但公司的经营是采取轻晶圆厂模式,也就是我们自己只少量生产,在大量生产时就将制程转移至委托的晶圆代工厂。”
除了电源元件,akhan semiconductor也有一些尝试钻石mems元件的新客户,要打造高阶智慧型手机动态调谐天线使用的电容式开关阵列。接下来,除了手机与资料中心处理器,该公司打算进军量子电脑领域,但不是采用氮空位(nitrogen vacancy)技术,而是目前视为商业机密的独门掺杂技术。
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