更高速度、更低功耗的鉆石半導(dǎo)體技術(shù)

　　人們都說(shuō)鉆石是女人最好的朋友，但它可能很快也會(huì)變成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最好的朋友！一家美國(guó)新創(chuàng)公司Akhan Semiconductor打算要透過(guò)從美國(guó)能源部旗下阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）授權(quán)鉆石半導(dǎo)體制程來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。

　　業(yè)界已知鉆石半導(dǎo)體能支援更高速度、更低功耗，而且比矽材料厚度更薄、重量更輕，不過(guò)Akhan Semiconductor是第一家有機(jī)會(huì)實(shí)際了解其特性的公司；該公司在美國(guó)伊利諾州Gurnee有一座8寸晶圓廠，預(yù)期將會(huì)在2017年的國(guó)際消費(fèi)性電子展（CES）上，發(fā)表應(yīng)用于某款消費(fèi)性電子產(chǎn)品的鉆石半導(dǎo)體IC。

　　阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2000年以前，曾使用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獨(dú)立出一家公司Advanced Diamond Technologies，與MEMS代工業(yè)者Innovative Micro Technology合作生產(chǎn)鉆石MEMS，并激勵(lì)鉆石晶圓專家如SP3 Diamond Technologies打造能沉積出完美結(jié)晶（crystalline）鉆石的CVD設(shè)備。

　　盡管到目前為止，鉆石最成功的領(lǐng)域還是在珠寶、研磨以及人造鉆石等其他工業(yè)用途；阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室仍繼續(xù)尋找讓鉆石──是天然的絕緣體──進(jìn)駐半導(dǎo)體的方法，以及能鋪設(shè)到所有鉆石晶片的導(dǎo)線，期望能讓鉆石半導(dǎo)體成真。以下影片是Akhan Semiconductor創(chuàng)辦人暨執(zhí)行長(zhǎng)Adam Kahn敘述根據(jù)他自己的名字命名的公司之鉆石半導(dǎo)體愿景：

　　到目前為止，鉆石半導(dǎo)體商業(yè)化的最大障礙，是制造p型電晶體很容易，但制造n型電晶體很困難；這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)被Kahn解決。他將Akhan Semiconductor的制程命名為Miraj鉆石平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備p型與n型元件的鉆石CMOS技術(shù)；而該公司也期望能推出全球首款相容CMOS制程的鉆石半導(dǎo)體。

　　Kahn接受EE Times美國(guó)版編輯專訪時(shí)表示：“我們最近已經(jīng)證實(shí)了相容CMOS的鉆石半導(dǎo)體──同時(shí)擁有p型與n型元件；我們成功制作了鉆石PIN ［是p型-本質(zhì)（intrinsic）、未摻雜（undoped）-n型接面（juction）的縮寫］二極體，其性能是矽的百萬(wàn)倍，而且薄一千倍?！?/p>

　　其背后奧秘是在p型元件中共同植入磷（phosphorous），然后在n型元件中共同摻雜鋇（barium）與鋰（lithium），如此能實(shí)現(xiàn)兩種元件性能相當(dāng)?shù)目烧{(diào)式電子元件，并催生鉆石CMOS；Akhan Semiconductor的第一款展示元件是鉆石PIN二極體，達(dá)到了破紀(jì)錄的500奈米厚度。能達(dá)到如此成果的原因，是鉆石這種材料具備超寬能隙（band-gap），甚至超越碳化矽與氮化鎵?！?/p>

　　Akhan Semiconductor制作的矽晶圓上鉆石（diamond on silicon）樣本

　　“熱分析結(jié)果顯示，在我們的PIN上沒(méi)有熱點(diǎn)（hot spots），所以沒(méi)有像是矽PIN二極體那樣的寄生損耗（parasitic losses）；”Khan并展示了利用鉆石超低電阻特性實(shí)現(xiàn)的100GHz元件，能沉積在矽、玻璃、藍(lán)寶石或是金屬基板上。這種高速度可能讓處理器大戰(zhàn)重新開(kāi)打──在十年前其速度已經(jīng)停滯在5GHz。

　　還記得在很多年前，每一代新處理器的時(shí)脈速度都會(huì)更高一級(jí)；5GHz對(duì)于矽材料來(lái)說(shuō)是極限，因?yàn)樵摲N材料的高耗電量以及高發(fā)熱溫度會(huì)把元件給融化；而Kahn表示，鉆石的導(dǎo)熱性能是矽的二十二倍、銅的五倍。

　　Akhan Semiconductor的終極目標(biāo)是讓處理器競(jìng)賽重啟，讓其時(shí)脈速度能繼續(xù)加快，但到目前為止他們專注于工業(yè)用電源元件、軍事應(yīng)用可調(diào)光學(xué)元件，以及利用鉆石做為絕緣體與半導(dǎo)體的光學(xué)行動(dòng)消費(fèi)性應(yīng)用；但是仍需要用到氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）做為觸點(diǎn)。

　　Kahn表示，他們尚未開(kāi)發(fā)行動(dòng)與消費(fèi)性應(yīng)用平臺(tái)，但現(xiàn)在主要應(yīng)用是需要更加散熱效率的電力電子元件，就像矽元件那樣運(yùn)作──利用相同的微影、蝕刻與金屬化步驟，只添加鉆石沉積步驟。而該公司的終極目標(biāo)，打造巨量資料處理應(yīng)用的超高散熱處理器；事實(shí)上，鉆石CMOS的高速度不需要付出高溫的代價(jià)，也就是說(shuō)，對(duì)資料中心來(lái)說(shuō)，鉆石處理器的發(fā)熱能比同樣5GHz速度的矽處理器大幅降低，甚至耗電量與矽差不多，速度還能進(jìn)一步升高到次THz。

　　除了能解決目前資料中心遭遇的最大問(wèn)題──散熱，鉆石的省電效益正是未來(lái)所需的特性；Kahn并指出，鉆石能沉積在玻璃或藍(lán)寶石玻璃基板上，制作成完全透明的電子元件，實(shí)現(xiàn)透明手機(jī)等新一代消費(fèi)性電子產(chǎn)品。

　　根據(jù)Kahn的說(shuō)法，摩爾定律（Moore‘s Law）的壽命也將再度進(jìn)一步擴(kuò)展，因?yàn)樵摴镜?00GHz展示晶片是采用100奈米制程節(jié)點(diǎn)，意味著鉆石在遭遇矽將于2025年面臨的單原子等級(jí)之前，還可以乎有12代的制程微縮。

　　配備鉆石散熱片的電路板樣本（晶片可以直接放在散熱片上）

　　“我們目前正專注于以12寸晶圓制作電源應(yīng)用元件，期望能在大量生產(chǎn)以后降低制造成本；”Kahn表示：“我們的電源元件已經(jīng)在晶圓廠進(jìn)入試產(chǎn)階段，但公司的經(jīng)營(yíng)是采取輕晶圓廠模式，也就是我們自己只少量生產(chǎn)，在大量生產(chǎn)時(shí)就將制程轉(zhuǎn)移至委托的晶圓代工廠。”

　　除了電源元件，Akhan Semiconductor也有一些嘗試鉆石MEMS元件的新客戶，要打造高階智慧型手機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)諧天線使用的電容式開(kāi)關(guān)陣列。接下來(lái)，除了手機(jī)與資料中心處理器，該公司打算進(jìn)軍量子電腦領(lǐng)域，但不是采用氮空位（nitrogen vacancy）技術(shù)，而是目前視為商業(yè)機(jī)密的獨(dú)門摻雜技術(shù)。