华为：第四代半导体关键材料——金刚石芯片诞生

2023-11-29 09:38

钻石恒永久，一颗永流传。这几日，华为申请公布的一项专利让人倍儿关注——一项与哈尔滨工业大学联合申请的专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》，这金刚石，指的就是还未经雕琢的钻石原石。

为何选择钻石

金刚石具有极高的硬度和热导率，这意味着钻石芯片在承受高热量和高压力的环境中将具有更好的稳定性和耐用性。此外，钻石的晶格结构使其具有较高的电子迁移率，有利于电子在芯片中的传输。

我们还要说了，芯片都要用钻石做了，那不是得变得更金贵吗？其实，钻石可以在实验室中更经济、更可持续地制造，钻石芯片在通信、汽车电子和电力等领域具有巨大的应用潜力，其性能和低能耗特点有望带来更高的能源效率，使钻石变为一种可行且重要的半导体替代品。虽然钻石被冠以昂贵宝石之名，但它的本质实际上就是碳，碳在自然界中的含量还是极为丰富的。并且人工钻石可以在数周内进行合成，大大降低碳排放，有助于环境保护。

作为一种具有优异物理、化学性能的新型材料，金刚石在芯片制造领域具有巨大的潜力。不过就像我们打游戏一样，作为六边形战士的金刚石也不是全无缺点。只要是自然界形成的矿石，那就有杂质，而杂质高的金刚石是无法造芯片的。金刚石做成芯片，再到造成器件这个过程世界已经研究了很多年，但目前很多实验结果都局限于实验室环境，很难使用在普通环境中。

华为这一手也表明了我国对金刚石芯片发展的注重，实际上这几年来，美日也一直在推进金刚石芯片的产业化。美国的Akhan（全球首个真正实现金刚石半导体产业化的公司）、阿贡国家实验室，日本的NTT、NIMS等，都投身于此。可知各国都在努力抓住每一点发展超越的可能性。

华为的钻石芯片专利是指一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。这项专利涉及芯片制造技术领域，具体而言，涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片。混合键合方法可以充分发挥金刚石半导体的优势，应用于更高电压、高频率的场景。此外，金刚石芯片还具有广阔的应用空间，被认为是第四代半导体技术关键材料，有望助力我国在半导体领域实现弯道超车。

在华为申请专利的公开文献中，他们解释道：“金刚石半导体具有优于其他半导体材料的出色特性，如高热导率、宽禁带、高载流子迁移率、高绝缘性、极佳的光学透过性、化学稳定性与抗辐射性等，在热沉、大功率、高频器件、量子信息等领域都具有极大的应用潜力，因此甚至可以被誉为终极功率半导体。”

华为这项专利的关键词还可拆解为三项，即“硅基与金刚石基衬底材料”、“三维集成芯片”、“混合键合”。

·三维集成——将芯片一片叠一片盖起高楼，精准的叠高高以增强性能。

·混合键合——将一颗大芯片变成很多颗小芯片，再将小芯片粘合封装，通过3D封装技术进一步缩小芯片之间的误差，使其连接的更加紧密。

毫无疑问，华为的技术与材料选择在国际上是真正的“遥遥领先”。钻石作为芯片材料具有诸多优势，这使得它成为未来高端芯片和半导体产业的重要发展方向。然而，要实现钻石芯片的大规模生产和应用，仍需克服一些技术难题，如切割、封装和制造工艺等。如果这些问题能够得到解决，钻石芯片绝对有望成为下一代半导体材料的代表。随着半导体技术的不断发展和对材料性能要求的提升，金刚石材料将在更多特定场景中发挥其独特的优势，并为高端先进制造业和消费领域创造更多应用空间。华为对钻石芯片的研究不仅让国内芯片制造业看到了曙光，也几乎让培育的钻石真正被赋予了“宝石”之名，股市飞升。从此以后钻石不再只出现在幸福的新人指间，而是存在于生活方方面面的未来，似乎指日而待。