一家专门从事合成、实验室培育的电子级钻石材料的制造和应用的科技公司AKHAN Semiconductor 日前宣布，公司面向半导体、电信、消费行业和全球市场展示了能够制造 300 毫米互补金属氧化物半导体 (CMOS) 钻石晶圆。

他们指出，这个行业突破性的 300 毫米 CMOS 钻石晶圆将增强各行业电子产品的功率处理、热管理和耐用性，但却不会对制造商现有的制造工艺做出任何改变。

由于其固有的特性，钻石被证明是最理想的半导体材料，远远超过硅的能力，硅是六十年来的行业标准材料。为了生产世界上最先进的技术，半导体制造商传统上依赖 300 毫米硅晶圆，尽管硅已经达到其物理极限。随着全球工业超越摩尔定律，生产 300MM 金刚石晶圆的能力对半导体制造商至关重要，尤其是在航空航天、电信、军事和国防以及消费电子等先进行业。

“今年半导体芯片短缺的情况已得到充分证明，”AKHAN 董事会主席 Tom Lacey 说。“随着美国计划增加芯片供应，使用最好的材料进行制造以实现最佳性能也很重要。”

“AKHAN 的 300 毫米钻石晶圆是基础构建块，它将带来更强大、更耐用的设备，且其运行温度更低，制造商只需对其现有制造工艺进行小幅更新，”AKHAN 半导体创始人 Adam Khan 说。“从武器系统到航天器，世界上最先进的设备和技术都将从钻石中成倍受益。现在我们已经证明了在 300MM 晶圆上制造这种理想材料的能力，制造商将可以使用最优化的芯片材料，从而使他们的最终产品更高效地运行。”

随着美国根据当前的全球短缺情况评估半导体供应链并努力重新夺回其在这一关键领域的领导地位，政策制定者必须优先考虑通过创新和开发采用金刚石等材料的下一代芯片来超越硅的公司。除了钻石的先进能力之外，美国的对手还了解这种令人垂涎的宝石有多么强大，并且正在优先开发用于先进武器的材料。

钻石IC准备大显身手

我（AKHAN Semiconductor 创始人）的“啊哈”时刻发生在 2004 年，当时，作为芝加哥伊利诺伊大学物理和工程双学位的大三学生，一篇研究论文引起了我的兴趣。那是关于钻石作为电子材料可以发挥的作用——当时这是一个非常未知的领域。然而那时我意识到钻石技术可以引发电子行业的翻天覆地的变化，我知道我想在使钻石半导体成为现实方面发挥作用。

自 1960 年代以来，硅一直是半导体的流行材料选择，它仍然占市场上可用设备类型的 95%以上。但它提出了几个长期挑战。也许更为人所知的问题，通常被表达为“摩尔定律”，它强调了更小、更快的电子产品在物理上受到硅能力限制的趋势——简单地说，市场上设备的速度和尺寸几乎是材料所能达到的绝对最好的表现。硅面对的更紧迫和可见的问题是热量问题。从历史上看，硅半导体器件的热管理已被证明对电力电子产品存在问题。所需的冷却方法效率低下，是电子垃圾的主要来源。

为此我们定义了钻石半导体。曾经被认为是电子产品的“圣杯”，如今已成为真正的替代品，既可作为硅补充剂，也可作为独立的半导体平台材料。钻石不再仅仅被降级为宝石，而是为电力电子发展和更广泛的全球电子行业未来未知数年提供了路线图。

事实上，许多人认为该行业正在进入钻石时代的黎明。他们相信，具有卓越电子特性的世界上最坚硬的天然材料将使各种行业的性能更上一层楼。它即将成为生产当今最先进工业产品的公认选择——而它在消费电子产品中的应用则紧随其后。

为什么是钻石？因为它可以在不降低性能的情况下运行得更热（是硅的 5 倍以上），更容易冷却（传热效率是硅的 22 倍），在击穿前可以承受更高的电压，并且电子（和电子空穴）可以更快地穿过它们。已经有使用钻石材料的半导体器件提供的电流是硅或以前尝试使用钻石的一百万倍。

基于钻石的半导体能够提高功率密度，并制造出更快、更轻、更简单的设备。它们比硅更环保，可提高设备内的热性能。因此，半导钻石材料市场很容易超过碳化硅市场，由于性能、成本以及与现有技术的直接集成到硅平台。

半导体行业的历史可以追溯到 1833 年，当时英国自然哲学家迈克尔法拉第描述了他发现硫化银晶体中导电性随温度升高的“特殊情况”。但直到本世纪，钻石才开始受到重视。

自从那篇研究论文引起我的兴趣十多年后，我的公司 AKHAN SEMI 与阿贡国家实验室合作，开发了一系列先进的技术，使我们能够制造独立的钻石材料，将钻石直接沉积在加工过的硅上，制造完整的钻石半导体器件，以及将钻石材料附着到其他电子材料上。

钻石晶圆技术正在生产更薄、更便宜的设备，这些设备已经在信息技术、军事和航空航天应用中使用。此外，钻石半导体最早将从 2015 年开始对消费电子、电信和健康行业等产生重大影响。

汽车制造商正在关注钻石功率器件在电动汽车控制模块中的应用。钻石半导体还可以帮助更好地管理各种设备的电池寿命和电池系统，包括手机、相机和车辆。

对于存储在以极其浪费的方式消耗大量能源的数据中心的云计算机服务器，钻石半导体在提供更好性能的同时更有效地使用更少的能源。由于钻石技术缩小了半导体所需的尺寸和能量，它为从洗衣机和烘干机到电视和数码相机等小型个人电子产品铺平了道路。至于防御技术，它可以在正常和极端/危险的操作环境中提供更大的范围、可靠性和性能。

因此，钻石半导体在其应用中具有更大的范围和能源效率。它们有助于推动更便宜、更快速的云集成，以满足消费者和企业的需求。它们改变了在何处以及如何使用我们的手机、笔记本电脑和其他尚未发明的个人电子设备的能力，其好处远远超出了性能。钻石半导体等电力电子设备代表了减少电子废物和将电子冷却成本减半的巨大机会。

众所周知，钻石是在自然界中经过相当长的一段时间形成的，在公开市场上花费数千美元。然而，实验室制造的钻石可以在世界任何地方的工厂环境中使用宇宙中最丰富的一些分子清洁且经济地生产：甲烷和氢气，它们很容易获得。我最熟悉的工艺是我公司采用的工艺，并在阿贡国家实验室使用，在该工艺中，甲烷和氢等离子体暴露于微波能量中，以在不同尺寸、厚度和不同材料上形成非常薄的钻石材料，例如硅、蓝宝石、玻璃等。

一旦形成，利用这些薄钻石薄膜材料（大约是人类头发直径的 1/70），我们能够改变电子特性并形成比领先的硅对应物薄一千多倍的器件结构。最先进的钻石，但也提高了性能，让更小、更快、更实用的趋势得以延续。

在短短十年内，随着硅达到临界点，钻石材料正在取而代之。是时候将火炬传递给钻石了——这是一种卓越的材料，将使下一代创新者能够创造出更快、更强大和更环保的电子产品。