CarbonSemi
论坛时间：2024年4月25-26日
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01 碳基半导体进展如何？是否如期进入市场？
自2020年5月22日，Science发布一则研究成果，碳基半导体热度迅速席卷全国，乃至世界。至今4年过去，碳基半导体的进展如何，是否像预期的一样完美?
不可否认，碳基半导体这一概念曾经确实很“新”！
话题前沿，这一概念类似网红，迅速被业界频繁追捧，甚至掀起投资热。但到底什么算碳基半导体材料？
这是相对硅基半导体而言的。目前普遍认为碳基半导体是一种在碳基纳米材料的基础上发展出的，以碳纳米管（CNT）、石墨烯为代表的半导体材料。ITRS研究报告曾明确指出，未来半导体行业的研究重点应聚焦于碳基电子学。
另外，被誉为终极半导体的金刚石作为纯碳物质，从元素划分，同样属于碳基半导体范畴。同样，还有碳化硅半导体，近年来，行业呼声很高。
最近几年碳基半导体究竟进展如何？目前，世界上有没有一家公司能够造出商用的碳基芯片？“碳基芯片”有没有像我们预想的那样如期地进入市场？科研进展如何？
这要从两个体系去看。
宽禁带半导体方向，近年来，发展迅速，尤其是碳化硅半导体。目前在碳化硅领域，国际方面8英寸SiC晶圆制造已迈向量产前夕，国产厂商方面则有更多厂家具备量产能力，产业链条进一步完善成熟。国际方面，海外大厂Wolfspeed、英飞凌、博世、onsemi等公司8英寸晶圆量产时间集中于2024年下半年至2026年期间。Wolfspeed目前8英寸器件已公布，预计2024年第二季产能利用率达20％以上；onsemi在2024年韩国厂正式运行，该公司预计今年产能为去年的1.7倍；2026年产能规划约为80万片；ST预计今年碳化硅营收在20亿以上；英飞凌则表示今年居林厂开始量产8英寸碳化硅和氮化镓器件，预计到2027年产能约为80万片，为2023年初的10倍...。
国内厂商在量产时间上与国际大厂仍然存在一定时间差，但是目前天岳先进、天科合达两家大厂已经成功打入全球导电型碳化硅衬底材料市场前十榜单。天域半导体则在碳化硅外延片处于领先地位。
对比已经入商业化的碳化硅半导体，作为纯碳元素的半导体，金刚石、石墨烯、碳纳米管商业发展较为缓慢，甚至碳基纳米材料器件方向，商业进展基本为0，但研发从未停止。国际团队也在积极布局，主要集中在美国、日本、中国等国家。
2024年3月，总部位于格勒诺布尔的金刚石半导体初创企业Diamfab宣布获得首轮融资870万欧元。在此之前，该公司也为电动汽车的全金刚石电容器申请了四项专利，其核心点在于薄金刚石层的生长和掺杂，以及金刚石电子元件的设计。Diamfab 公司也正在与该领域的领先企业合作，目前已经实现超过 1000A/cm2 的高电流密度以及大于7.7MV/cm的击穿电场，明显优于SiC等现有材料为电力电子器件所提供的数据。Diamfab董事长Chicot表示“我们有一个明确的路线图，到2025年实现4英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”
2024年，北京石墨烯研究院有限公司（BGI）与清华大学某课题组签署长期战略合作协议。根据协议内容，BGI将为该课题组提供高品质的单晶石墨烯晶圆和定制化石墨烯薄膜转移服务，该产品后续可用于传感器以及芯片等高端元器件制造领域。BGI的创新转移方法实现了高质量石墨烯单晶晶圆(4、6英寸)向刚性衬底上的无损转移。
2024年，日本国立材料科学研究所（NIMS）团队开发出世界上第一个n沟道金刚石MOSFET。该团队基于步进流成核模式制造了具有原子级平坦表面的电子级磷掺杂n型金刚石外延层，展示了n沟道金刚石 MOSFET。n型金刚石MOSFET在573 K时表现出约150 cm2 V-1 s-1的高场效应迁移率，这是所有基于宽带隙半导体的n沟道MOSFET中最高的。这项工作为开发节能且高可靠性的 CMOS 集成电路，用于恶劣环境下的高功率电子器件、集成自旋电子学和极端传感器迈出了关键一步。
2024年1月，石墨烯半导体，再次发顶刊。一篇Science使碳基电子技术曙光微露。天津大学教授马雷团队联合美国佐治亚理工学院教授Walter de Heer团队，首次研制出可扩展的半导体石墨烯，这可能为开发一种速度更快、效率更高的新型计算机铺平道路。在这项新研究中，研究人员通过在石墨烯中引入带隙，展示了一种可以控制电流开关的晶体管，这种开关可以阻止或允许电流通过。由于该技术与制造硅芯片的技术没有什么不同，因此这种工艺或更有利于规模化生产。
2024年，Graphenea 宣布，可在 8 英寸（200 毫米）晶圆上提供石墨烯薄膜。石墨烯薄膜将在该公司的标准基板 90nm SiO2/Si 上提供，并且可以选择向客户自己的基板提供定制转移服务。这一里程碑使得能够集成到大规模半导体生产线中。大面积的晶圆还可以提供具有竞争力的价格，与之前最大尺寸（6英寸）相比，成本降低了17%（每单位面积）。
2023年10月，Diamond Foundry（简称DF）的公司，采用异质外延法创造出了世界上首个单晶钻石晶圆（Diamond Wafer），直径100毫米、重110克拉。按照DF公司的说法，他们可以实现将钻石直接以原子方式与集成电路晶圆粘合，晶圆厚度可以达到埃级精度，这不仅凸显了其粘合精度之高，而且为半导体产业未来向纳米甚至埃米级别进展提供了坚实的技术基础。
2023年，日本北海道的OOKUMA DIAMOND DEVICE公司宣布拟投资约50亿日元，力争于2026年度末在福岛县大熊町量产半导体金刚石器件，预计初步每年可量产数万颗金刚石半导体芯片。该公司将与东京电力控股（HD）的子公司合作，在福岛第一核电站用于废堆的机器上配备金刚石半导体。
配备了OOKUMA DIAMOND DEVICE开发的金刚石半导体的器件
2022年7月，美国一家新创的芯片企业SkyWater获得了美国国防部2700万美元资助，研发碳基芯片技术，用90nm工艺制造芯片，借助碳纳米管等先进材料的优良特性，可以大幅提升芯片性能，甚至比台积电生产的7nm硅基芯片还要强50倍。
2022年，日本安达满纳米奇精密宝石有限公司（2023年1月1日起，变更为Orbray株式会社）联合日本佐贺大学成功开发了超高纯度2英寸金刚石晶圆的量产方法。双方也利用2英寸晶圆，研发出了输出功率为875MW/cm2（为全球最高）、高压达2568V的半导体。另外，该公司计划将被称为“终极半导体”的金刚石半导体推向实用化，最早将在2026年度投产。
2022年8月，中科院上海微系统所宣布已经成功研发出8英寸石墨烯单晶圆。目前，可以做到了小规模生产。
中科院上海微系统所宣布已经成功研发出8英寸石墨烯单晶圆
2022年8月，诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，即日本早稻田大学下属的Power Diamond Systems（简称为：“PDS”）。该公司的目标是把金刚石半导体行业的先驱一一川原田洋教授的研发成果推向实用化。
华为在芯片领域布局多元化，碳基芯片技术也是其重点布局。2022年发布“碳材及其应用”的专利，包括多层堆叠的碳原子层的碳材，通过特定工艺控制其碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％，促使碳材产生较高的面内热扩散系数，可以充分满足高热通量电子设备的散热需求。2023年发布了一项关于石墨烯晶体管芯片技术的专利，这项技术可以把芯片的运算速度提高1000倍；同年11月，发布与哈尔滨工业大学合作专利，“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”。这项专利涉及芯片制造技术领域，主要是实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。2024年，公开一项“挡板、芯片、SiC晶体、晶体生长炉和生长方法”专利。
华为在芯片领域布局多元化，碳基芯片技术也是其重点布局
2020年8月，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授联合团队，在碳纳米管的耐疲劳性能研究上取得重大突破，该团队在国际上首次以实验形式，测试出厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)为题，发表于《Science》上。
2020年1月，香港城市大学陆洋教授、Alice Hu团队和哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、麻省理工学院李巨教授合作，首次通过纳米力学方法，展示了微晶金刚石阵列均匀的深弹性应变。超大的、高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的能带结构，通过计算带隙减少多达2eV。这项发现表明通过精细加工钻石结构的深度弹性应变工程，使得可拉伸金刚石有望用于下一代微电子学、光子学和量子信息技术。该工作以“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”发表在《Science》上。
02 世界各国为何如此执着于研究碳基半导体？
弄清楚定义，验收过成果，我们再回头看，提出这一方向的初衷，目前是否偏离？
首先，我们来看为什么会提出碳基半导体这一新体系？
初衷是为摩尔定律续命！使用新结构或新材料来解决短沟道效应等问题，进一步提升器件能量利用率，是半导体界两大尝试。
2005 年，由美国、日本、韩国、欧洲和中国台湾等国家和地区组成的联盟发布国际半导体技术线路图（ITRS），明确指出在 2020 年前后，硅基 CMOS技术将达到其性能极限。多年来，为解决硅基半导体面临的瓶颈，业界从“结构和材料”入手，持续推动集成电路发展。
业界一致认为，“启用新材料是解决芯片性能问题的根本出路”。
其中，碳基电子、二维半导体、自旋电子学、量子器件与技术、碳化硅、氮化镓、金刚石、氧化镓、氮化硼等宽禁带半导体体系，都被认为目前比较有前景的材料体系。
碳基芯片研发难度如此大，为什么被定义为下一个芯片时代的主流？
在2021年IMEC（欧洲微电子研究中心）的公开会议上，与会者提出了四种延续摩尔定律、打破2纳米硅基芯片物理极限的方法。在这四种方法中，碳基芯片的发展方案得到了专家组的一致认可。专家们一致认为，碳基芯片将是硅基芯片后，新一代主流芯片技术。
根本原因在于摩尔定律“失效”。
在集成电路产业近60年的发展中，摩尔定律一直被奉为“金科玉律”，硅基引领世界范围的信息化浪潮，摩尔定律成为行业领先技术的衡量指标，保持摩尔定律企业就能生存，不能保持摩尔定律企业就会在竞争中被淘汰。
从技术角度，随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度范围后，半导体技术发展面临一系列物理限制条件，既有来自于基本物理规律的限制，也有来自于材料、技术、器件和系统方面的限制。
另外，从经济角度，目前，全球半导体行业不再基于每两年实现性能翻倍的概念来制定硅芯片研发计划，芯片企业都面临着芯片研发速度减缓的问题，无法再像原来那样大幅度缩小硅晶体管，无力承担跟上性能提升步伐所需购买的超复杂制造工具和工艺成本。硅基芯片的研发已进入瓶颈期。从经济角度，摩尔定律失效的根本原因在于打破了“投资发展制程——芯片生产成本降低——用部分利润继续投资发展制程”的逻辑。
那么，碳基半导体究竟解决什么问题？
一句话，换赛道——突破摩尔定律，解决电子迁移率和能耗问题。能效比是半导体行业一直以来的追求。
按照科学家的预计，硅基芯片的物理极限在1nm。而按照晶圆厂们的工艺演进，3nm后的工艺是2nm，再之后的工艺是1.4nm。因为硅基材料所限，硅基芯片性能的缺陷会变得愈发明显，无法再往1nm以下推进。比如：
03 硅基vs 碳基？半导体的定位？
另外，作为另一宽禁带典型代表，金刚石，自身作为半导体材料，目前仍处于基础研究尚待突破阶段，在材料、器件等方面都有大量科学问题尚需攻克，例如金刚石材料的高成本和小尺寸是制约金刚石功率电子学发展的主要障碍，其中，大尺寸拼接单晶、异质外延、掺杂、器件可靠性、减薄抛光等都是现阶段存在的问题。
但将其作为功能材料，与现有半导体体系结合，例如与作为GaN功率器件衬底、作为高功率激光器热沉、微波窗口等金刚石功能应用，已经开始逐步迈向实用化。
针对金刚石半导体，北京科技大学新材料技术研究院教授李成明曾经表示，相对于硅材料、氮化镓、碳化硅等，金刚石除了禁带宽度以来，最大优势在于更高的载流子迁移率(空穴:3800 cm2·V-1·s-1，电子:4500 cm 2·V-1·s-1) 、更高的击穿电场(＞10 MV·cm-1 )、更大的热导率( 22 W·K-1·cm-1)，其本征材料优势是具有自然界最高的热导率以及最高的体材料迁移率，优异的电学特性承载了人类将金刚石称为终极半导体的巨大期望。
西安电子科技大学教授张金风也指出，金刚石属于新兴的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、耐击穿、载流子迁移率高、热导率极高、抗辐照等优点。在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。
所以说，从实验室的“理想值”迈向市场中的规模化应用，碳基半导体的产业化道阻且长。技术实现与性价比的保证是碳基半导体实现产业化的前提。与现有半导体结合，找准杀手锏应用，或将是其现在的产业出路。
另外本次参加CarbonSemi2024，并带产品展示的企业有：
2024半导体活动推荐
2024（第八届）国际碳材料大会暨产业博览会
2024先进半导体产业博览会暨第二届先进电子材料创新大会
