更高性能的金剛石半導體技術

金剛石具有比硅速度快、功耗小、質量輕、厚度薄等諸多優點，在半導體領域具有巨大前景。

早在2000年之前，阿貢國家實驗室已經就金剛石化學氣相澱積（CVD）展開試驗，併成立了先進金剛石技術公司。該公司和創新微技術公司合作製造出金剛石微機電系統，並促進了SP3金剛石技術等金剛石晶圓專業公司生產用於澱積金剛石晶體的CVD設備。雖然截止目前，金剛石最大的應用還是在珠寶、研磨料和人造鑽石等領域，但阿貢國家實驗室仍努力尋求可使金剛石（自然的絕緣體）變為半導體和導體的方法，以此為所有的金剛石芯片鋪平道路。美國初創公司Akhan半導體公司已獲美國能源部阿貢國家實驗室的金剛石半導體工藝授權，再結合自身在金剛石領域的技術突破，計劃成為首個真正實現金剛石半導體產品化的公司。

金剛石半導體實現商業化的最大問題是製造P型晶體管容易、製造n型晶體管困難，Akhan半導體公司的創始人兼首席執行官Adam Kahn提供了“Miraj金剛石平台”作為解決方案，可實現P型和N型器件，使得製造出金剛石互補金屬氧化物半導體(CMOS)成為可能。該工藝平台的技術核心是，通過在P型器件中摻雜磷、在N型器件中摻雜了鋇與鋰，帶來P型和N型性能相當的可調電子器件，並因此發展出金剛石CMOS。

採用CMOS金剛石半導體工藝製造出的首個器件是金剛石PIN二極管，厚度打破記錄地薄至500納米，性能比硅高100萬倍，還比硅薄100倍，原因在於金剛石的帶隙比碳化硅和氮化鎵還要寬；在熱分析結果顯示，該PIN二極管中沒有熱點，因此沒有硅PIN二極管中的寄生損失。

Akhan半導體公司還展示了100GHz器件。金剛石具有超低阻值，減少散熱需求，還可澱積在硅、玻璃、藍寶石和金屬襯底上，有望重新激發微處理器運算速度的演進。此前，由於無法有效散熱，微處理器的運算速度在5GHz左右已徘徊了10年。對於硅材料，5GHz是一個極限，因為更高的功耗和熱點會將微處理器化為泡沫，而金剛石有着22倍於硅、5倍於銅的熱傳導能力，將使微處理器的運算速度達到新的高度，催生新一代微處理器。金剛石技術還將使摩爾定律得到延續。Akhan半導體公司展示的100GHz芯片使用的特徵尺寸是100s納米，在金剛石面臨單原子級之前還有十二代可縮小空間，而硅則將在2025年達到原子級發展極限。

Akhan公司的產品將是未來智能手機、智能手錶、筆記本或虛擬現實眼鏡的核心部件。Akhan的產品不僅能夠提升設備的性能，還能增加設備的壽命。為什麼？答案很簡單：鑽石。更確切地説是：合成鑽石。

鑽石不單是莫氏硬度表上最堅硬的材料，也有着有良好的導熱性。與硅相比，鑽石保持能量的能力更強。對於智能手機來説，鑽石製造的處理器能夠減少發熱量。

智能手機不是唯一的受益者，對於想要縮小設備中電路體積的公司來説，鑽石處理器都能帶來幫助。另外，重工業和航空航天業也需要鑽石處理器件來抵禦高強度的輻射和X射線。

本月15日AKHAN半導體公司發佈了涉及製造金剛石半導體材料的日本專利。基於金剛石技術能夠提高功率密度，併為消費者創造更快，更輕，更簡單的設備。比硅芯片更便宜，更薄，基於金剛石的電子產品可能成為高能效電子產品的行業標準。

金剛石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦係數、高彈性模量、高熱導、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學穩定性等，如下表。雖然天然金剛石具有這些獨一無二的特性，但是它們一直僅僅是以寶石的形式存在，其性質的多變性和稀有性極大地限制了其應用。CVD金剛石膜則將這些優異的物理化學性能集一身，且成本較天然金剛石低，能夠製備各種幾何形狀，在電子、光學、機械等工業領域有廣泛的應用前景。