美国研发出金刚石CMOS工艺 计划明年初推出金刚石半导体产品

2016-05-24 来源:大国重器作者:长青 我要评论(0) 字号:

金刚石具有比硅速度快、功耗小、质量轻、厚度薄等诸多优点,在半导体领域具有巨大前景。美国初创公司Akhan半导体公司已获美国能源部阿贡国家实验室的金刚石半导体工艺授权,再结合自身在金刚石领域的技术突破,计划成为首个真正实现金刚石半导体产品化的公司。

1、阿贡国家实验室的追梦之旅

早在2000年之前,阿贡国家实验室已经就金刚石化学气相淀积(CVD)展开试验,并成立了先进金刚石技术(Advanced Diamond Technologies)公司。该公司和创新微技术(Innovative Micro Technology)公司合作制造出金刚石微机电系统(MEMS),并促进了SP3金刚石技术(SP3 Diamond Technologies)等金刚石晶圆专业公司生产用于淀积金刚石晶体的CVD设备。虽然截止目前,金刚石最大的应用还是在珠宝、研磨料和人造钻石等领域,但阿贡国家实验室仍努力寻求可使金刚石(自然的绝缘体)变为把半导体和导体的方法,以此为所有的金刚石芯片铺平道路。

美国研发出金刚石CMOS工艺 计划明年初推出金刚石半导体产品

2、Akhan半导体公司的圆梦技术

金刚石半导体实现商业化的最大问题是制造P型晶体管容易、制造n型晶体管困难,Akhan半导体公司的创始人兼首席执行官Adam Kahn提供了“Miraj金刚石平台”作为解决方案,可实现P型和N型器件,使得制造出金刚石互补金属氧化物半导体(CMOS)成为可能。该工艺平台的技术核心是,通过在P型器件中掺杂磷(phosphorous)、在N型器件中掺杂了钡(barium)与锂(lithium),带来P型和N型性能相当的可调电子器件,并因此发展出金刚石CMOS。

Akhan半导体公司采用CMOS金刚石半导体工艺制造出的首个器件是金刚石PIN二极管,厚度打破记录地薄至500纳米,性能比硅高100万倍,还比硅薄100倍,原因在于金刚石的带隙比碳化硅和氮化镓还要宽;在热分析结果显示,该PIN二极管中没有热点(hot spot),因此没有硅PIN二极管中的寄生损失。

美国研发出金刚石CMOS工艺 计划明年初推出金刚石半导体产品

左图为Adam Kahn,右图为硅晶圆上金刚石样品

Akhan半导体公司还展示了100GHz器件。金刚石具有超低阻值,减少散热需求,还可淀积在硅、玻璃、蓝宝石和金属衬底上,有望重新激发微处理器运算速度的演进。此前,由于无法有效散热,微处理器的运算速度在5GHz左右已徘徊了10年。对于硅材料,5GHz是一个极限,因为更高的功耗和热点会将微处理器化为泡沫,而金刚石有着22倍于硅、5倍于铜的热传导能力,将使微处理器的运算速度达到新的高度,催生新一代微处理器。

金刚石技术还将使摩尔定律得到延续。Akhan半导体公司展示的100GHz芯片使用的特征尺寸是100s纳米,在金刚石面临单原子级之前还有十二代可缩小空间,而硅则将在2025年达到原子级发展极限。

3、Akhan的发展计划

公司目前的目标应用集中在工业用功率电子、军用可调光学、消费类移动光学等。金刚石在其中作为绝缘体和半导体,并使用氧化铟锡(ITO)进行互联;制造工艺包括与硅相同的光刻、刻蚀和金属化步骤,只是对金刚石淀积步骤进行了调整。

公司最终的目标是激活处理器处理速度的演进步伐,使其越来越快,以及满足大数据应用需求。金刚石散热效率高,与现有硅基5GHz微处理器相比,在消耗相同功率的情况下,金刚石或者可以显著减少热量,或者可将运算速度提升到亚太赫兹领域。

除此之外,Akahn还计划进入量子计算机领域,但不用氮真空方法,而是使用其特有的掺杂技术,但该技术目前保密。

4、Akhan目前的工作

Akhan半导体公司已获得天使投资和私人资产公司投入的约250万美元研发资金,并计划于今年进行A轮融资,吸引金刚石半导体领域的注意力。

目前的工作重点是12英寸晶圆功率器件,已进入试产阶段。Akhan半导体公司使用的是轻工厂模式,即公司只进行小/中尺寸流片,然后在大的代工厂投入量产;还在尝试拓展金刚石MEMS器件领域,特别是高端手机动态调谐天线使用的电容性开关阵列。公司希望在2017年国际消费类电子产品展览会(CES)上展出全球首款采用金刚石CMOS工艺的半导体产品。

来源:大国重器--聚焦世界军用电子元器件

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