人們都說鑽石是女人最好的朋友,但它可能很快也會變成半導體產業最好的朋友!一家美國新創公司Akhan Semiconductor打算要透過從美國能源部旗下阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)授權鑽石半導體製程來實現以上目標。

業界已知鑽石半導體能支援更高速度、更低功耗,而且比矽材料厚度更薄、重量更輕,不過Akhan Semiconductor是第一家有機會實際了解其特性的公司;該公司在美國伊利諾州Gurnee有一座8吋晶圓廠,預期將會在2017年的國際消費性電子展(CES)上,發表應用於某款消費性電子產品的鑽石半導體IC。

阿岡國家實驗室在2000年以前,曾使用化學氣相沉積(CVD)技術進行實驗,並獨立出一家公司Advanced Diamond Technologies,與MEMS代工業者Innovative Micro Technology合作生產鑽石MEMS,並激勵鑽石晶圓專家如SP3 Diamond Technologies打造能沉積出完美結晶(crystalline)鑽石的CVD設備。

儘管到目前為止,鑽石最成功的領域還是在珠寶、研磨以及人造鑽石等其他工業用途;阿岡國家實驗室仍繼續尋找讓鑽石──是天然的絕緣體──進駐半導體的方法,以及能鋪設到所有鑽石晶片的導線,期望能讓鑽石半導體成真。以下影片是Akhan Semiconductor創辦人暨執行長Adam Kahn敘述根據他自己的名字命名的公司之鑽石半導體願景:

到目前為止,鑽石半導體商業化的最大障礙,是製造p型電晶體很容易,但製造n型電晶體很困難;這個問題已經被Kahn解決。他將Akhan Semiconductor的製程命名為Miraj鑽石平台,可實現同時具備p型與n型元件的鑽石CMOS技術;而該公司也期望能推出全球首款相容CMOS製程的鑽石半導體。

Kahn接受EE Times美國版編輯專訪時表示:「我們最近已經證實了相容CMOS的鑽石半導體──同時擁有p型與n型元件;我們成功製作了鑽石PIN [是p型-本質(intrinsic)、未摻雜(undoped)-n型接面(juction)的縮寫]二極體,其性能是矽的百萬倍,而且薄一千倍。」

其背後奧秘是在p型元件中共同植入磷(phosphorous),然後在n型元件中共同摻雜鋇(barium)與鋰(lithium),如此能實現兩種元件性能相當的可調式電子元件,並催生鑽石CMOS;Akhan Semiconductor的第一款展示元件是鑽石PIN二極體,達到了破紀錄的500奈米厚度。能達到如此成果的原因,是鑽石這種材料具備超寬能隙(band-gap),甚至超越碳化矽與氮化鎵。」

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Akhan Semiconductor製作的矽晶圓上鑽石(diamond on silicon)樣本

「熱分析結果顯示,在我們的PIN上沒有熱點(hot spots),所以沒有像是矽PIN二極體那樣的寄生損耗(parasitic losses);」Khan並展示了利用鑽石超低電阻特性實現的100GHz元件,能沉積在矽、玻璃、藍寶石或是金屬基板上。這種高速度可能讓處理器大戰重新開打──在十年前其速度已經停滯在5GHz。

還記得在很多年前,每一代新處理器的時脈速度都會更高一級;5GHz對於矽材料來說是極限,因為該種材料的高耗電量以及高發熱溫度會把元件給融化;而Kahn表示,鑽石的導熱性能是矽的二十二倍、銅的五倍。

Akhan Semiconductor的終極目標是讓處理器競賽重啟,讓其時脈速度能繼續加快,但到目前為止他們專注於工業用電源元件、軍事應用可調光學元件,以及利用鑽石做為絕緣體與半導體的光學行動消費性應用;但是仍需要用到氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)做為觸點。

Kahn表示,他們尚未開發行動與消費性應用平台,但現在主要應用是需要更加散熱效率的電力電子元件,就像矽元件那樣運作──利用相同的微影、蝕刻與金屬化步驟,只添加鑽石沉積步驟。而該公司的終極目標,打造巨量資料處理應用的超高散熱處理器;事實上,鑽石CMOS的高速度不需要付出高溫的代價,也就是說,對資料中心來說,鑽石處理器的發熱能比同樣5GHz速度的矽處理器大幅降低,甚至耗電量與矽差不多,速度還能進一步升高到次THz。

除了能解決目前資料中心遭遇的最大問題──散熱,鑽石的省電效益正是未來所需的特性;Kahn並指出,鑽石能沉積在玻璃或藍寶石玻璃基板上,製作成完全透明的電子元件,實現透明手機等新一代消費性電子產品。

根據Kahn的說法,摩爾定律(Moore's Law)的壽命也將再度進一步擴展,因為該公司的100GHz展示晶片是採用100奈米製程節點,意味著鑽石在遭遇矽將於2025年面臨的單原子等級之前,還可以乎有12代的製程微縮。

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配備鑽石散熱片的電路板樣本(晶片可以直接放在散熱片上)

「我們目前正專注於以12吋晶圓製作電源應用元件,期望能在大量生產以後降低製造成本;」Kahn表示:「我們的電源元件已經在晶圓廠進入試產階段,但公司的經營是採取輕晶圓廠模式,也就是我們自己只少量生產,在大量生產時就將製程轉移至委託的晶圓代工廠。」

除了電源元件,Akhan Semiconductor也有一些嘗試鑽石MEMS元件的新客戶,要打造高階智慧型手機動態調諧天線使用的電容式開關陣列。接下來,除了手機與資料中心處理器,該公司打算進軍量子電腦領域,但不是採用氮空位(nitrogen vacancy)技術,而是目前視為商業機密的獨門摻雜技術。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Diamond ICs May Finally Debut,by R. Colin Johnson)