更高速度、更低功耗的钻石半导体技术

　　人们都说钻石是女人最好的朋友，但它可能很快也会变成半导体产业最好的朋友！一家美国新创公司Akhan Semiconductor打算要透过从美国能源部旗下阿冈国家实验室（Argonne NaTIonal Laboratory）授权钻石半导体制程来实现以上目标。

　　业界已知钻石半导体能支援更高速度、更低功耗，而且比矽材料厚度更薄、重量更轻，不过Akhan Semiconductor是第一家有机会实际了解其特性的公司；该公司在美国伊利诺州Gurnee有一座8寸晶圆厂，预期将会在2017年的国际消费性电子展（CES）上，发表应用于某款消费性电子产品的钻石半导体IC。

　　阿冈国家实验室在2000年以前，曾使用化学气相沉积（CVD）技术进行实验，并独立出一家公司Advanced Diamond Technologies，与MEMS代工业者InnovaTIve Micro Technology合作生产钻石MEMS，并激励钻石晶圆专家如SP3 Diamond Technologies打造能沉积出完美结晶（crystalline）钻石的CVD设备。

　　尽管到目前为止，钻石最成功的领域还是在珠宝、研磨以及人造钻石等其他工业用途；阿冈国家实验室仍继续寻找让钻石──是天然的绝缘体──进驻半导体的方法，以及能铺设到所有钻石晶片的导线，期望能让钻石半导体成真。以下影片是Akhan Semiconductor创办人暨执行长Adam Kahn叙述根据他自己的名字命名的公司之钻石半导体愿景：

　　到目前为止，钻石半导体商业化的最大障碍，是制造p型电晶体很容易，但制造n型电晶体很困难；这个问题已经被Kahn解决。他将Akhan Semiconductor的制程命名为Miraj钻石平台，可实现同时具备p型与n型元件的钻石CMOS技术；而该公司也期望能推出全球首款相容CMOS制程的钻石半导体。

　　Kahn接受EE TImes美国版编辑专访时表示：“我们最近已经证实了相容CMOS的钻石半导体──同时拥有p型与n型元件；我们成功制作了钻石PIN ［是p型-本质（intrinsic）、未掺杂（undoped）-n型接面（jucTIon）的缩写］二极体，其性能是矽的百万倍，而且薄一千倍。”

　　其背后奥秘是在p型元件中共同植入磷（phosphorous），然后在n型元件中共同掺杂钡（barium）与锂（lithium），如此能实现两种元件性能相当的可调式电子元件，并催生钻石CMOS；Akhan Semiconductor的第一款展示元件是钻石PIN二极体，达到了破纪录的500奈米厚度。能达到如此成果的原因，是钻石这种材料具备超宽能隙（band-gap），甚至超越碳化矽与氮化镓。”

　　Akhan Semiconductor制作的矽晶圆上钻石（diamond on silicon）样本

　　“热分析结果显示，在我们的PIN上没有热点（hot spots），所以没有像是矽PIN二极体那样的寄生损耗（parasitic losses）；”Khan并展示了利用钻石超低电阻特性实现的100GHz元件，能沉积在矽、玻璃、蓝宝石或是金属基板上。这种高速度可能让处理器大战重新开打──在十年前其速度已经停滞在5GHz。

　　还记得在很多年前，每一代新处理器的时脉速度都会更高一级；5GHz对于矽材料来说是极限，因为该种材料的高耗电量以及高发热温度会把元件给融化；而Kahn表示，钻石的导热性能是矽的二十二倍、铜的五倍。

　　Akhan Semiconductor的终极目标是让处理器竞赛重启，让其时脉速度能继续加快，但到目前为止他们专注于工业用电源元件、军事应用可调光学元件，以及利用钻石做为绝缘体与半导体的光学行动消费性应用；但是仍需要用到氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）做为触点。

　　Kahn表示，他们尚未开发行动与消费性应用平台，但现在主要应用是需要更加散热效率的电力电子元件，就像矽元件那样运作──利用相同的微影、蚀刻与金属化步骤，只添加钻石沉积步骤。而该公司的终极目标，打造巨量资料处理应用的超高散热处理器；事实上，钻石CMOS的高速度不需要付出高温的代价，也就是说，对资料中心来说，钻石处理器的发热能比同样5GHz速度的矽处理器大幅降低，甚至耗电量与矽差不多，速度还能进一步升高到次THz。

　　除了能解决目前资料中心遭遇的最大问题──散热，钻石的省电效益正是未来所需的特性；Kahn并指出，钻石能沉积在玻璃或蓝宝石玻璃基板上，制作成完全透明的电子元件，实现透明手机等新一代消费性电子产品。

　　根据Kahn的说法，摩尔定律（Moore‘s Law）的寿命也将再度进一步扩展，因为该公司的100GHz展示晶片是采用100奈米制程节点，意味着钻石在遭遇矽将于2025年面临的单原子等级之前，还可以乎有12代的制程微缩。

　　配备钻石散热片的电路板样本（晶片可以直接放在散热片上）

　　“我们目前正专注于以12寸晶圆制作电源应用元件，期望能在大量生产以后降低制造成本；”Kahn表示：“我们的电源元件已经在晶圆厂进入试产阶段，但公司的经营是采取轻晶圆厂模式，也就是我们自己只少量生产，在大量生产时就将制程转移至委托的晶圆代工厂。”

　　除了电源元件，Akhan Semiconductor也有一些尝试钻石MEMS元件的新客户，要打造高阶智慧型手机动态调谐天线使用的电容式开关阵列。接下来，除了手机与资料中心处理器，该公司打算进军量子电脑领域，但不是采用氮空位（nitrogen vacancy）技术，而是目前视为商业机密的独门掺杂技术。