О состоянии алмазной полупроводниковой промышленности и интервью с Адамом Ханом из Diamond Quanta, в котором рассказывается о технологии «алмаз на кремнии».
Текущее игровое поле для силовых устройств с широкой запрещенной зоной: GaN и SiC
Полупроводники групп III-IV и IV-IV с широкой запрещенной зоной, такие как SiC и GaN, завоевали устойчивую популярность в устройствах питания и высокочастотных беспроводных микросхемах, заменив экономичное и масштабируемое производство Si. Преимущество этих технологий заключается в их способности работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем у Si. Несмотря на то, что SiC и GaN, возможно, не совсем соответствуют по цене Si по всем параметрам, достигаются значительные успехи в области технологичности, масштабируемости, производительности и долговечной надежности.
GaN
Это особенно актуально для технологии GaN-on-Si, которая применяет существующую инфраструктуру Si, позволяя использовать подложки большего диаметра, на которых еженедельно уже производят тысячи 8-дюймовых пластин, имеющих превосходную производительность благодаря управлению процессом производства КМОП-структуры. Другим преимуществом технологии GaN является ее монолитная интеграция или интеграция системы на кристалле, включая элементы управления, датчики и драйверы, что значительно уменьшает размер системы и затраты при одновременном устранении паразитной индуктивности – основной причины нестабильности переключения. Компании уже начинают переходить на 300-миллиметровые (12-дюймовые) пластины GaN-on-Si, которые позволяют более чем в 2 раза увеличить плотность кристаллов, тем самым снижая стоимость этого полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной. В то время как стандартные транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе GaN преобладают в диапазоне от 40 В до 650 В, в настоящее время ведется работа по переходу на более высокие напряжения, например, с использованием вертикальных архитектур GaN (vGaN).
SiC
SiC остается доминирующим материалом при более высоких напряжениях от 600 В до 3,3 кВ. Однако буль из SiC можно выращивать только при температурах от 1800 до 2600 °C, и это происходит значительно медленнее, чем из Si. Иногда на изготовление уходит несколько недель (по сравнению с 72 часами для слитка из Si). Способ нарезки также должен быть адаптирован к твердой подложке из SiC. Чтобы нарезать шайбу такого же диаметра, требуется в 10-20 раз больше времени, чем в случае с Si. Тем не менее, теплопроводность полевых транзисторов на основе SiC неоспорима и более чем в 2 раза превышает теплопроводность GaN, что позволяет силовым устройствам достигать более высоких показаний блокирующего напряжения. Уже достигнут значительный прогресс в крупномасштабном производстве 200-мм (8-дюймовых) пластин из SiC и переходе к 300-мм платформам из SiC.
Технология сверхширокой запрещенной зоны или, более конкретно, алмаз
В это время также развивается технология сверхширокой запрещенной зоны, в том числе в области нитрида алюминия (AlN), кубического нитрида бора (c-BN), оксида галлия (Ga2O3) и синтетического алмаза. Ширина запрещенной зоны этих полупроводников >4 эВ может сделать их еще более привлекательными для применения как в силовых устройствах, так и в радиочастотных устройствах, однако они все еще в значительной степени находятся на стадии исследований и разработок.
Как показано в табл. 1, подвижность электронов, критическое электрическое поле и теплопроводность дают материалу высокий рейтинг по показателю полезности Baliga (BFoM), критическому показателю для силовых устройств, работающих в высокочастотных цепях.
Алмаз может быть выращен либо в виде монокристаллов, то есть монокристаллических пластин, либо в виде поликристаллических алмазных пластин. Эти алмазные пластины обычно изготавливаются с использованием технологий производства под высоким давлением и при высокой температуре, чтобы имитировать условия естественного образования алмазов.
Многие в отрасли рассматривают алмазную подложку как конкурента SiC для работы в условиях высоких температур и высокой мощности, переключения высоких напряжений и токов в промышленности, возобновляемых источниках энергии, автомобилестроении и центрах обработки данных. Однако нам предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь технологической зрелости SiC в области силовой электроники.
Обладая гораздо меньшим количеством дефектов и высокой чистотой, монокристаллические алмазные пластины обладают более благоприятными механическими, оптическими и электрическими свойствами для квантовой оптики и электроники. Однако поликристаллические алмазные пластины могут быть изготовлены из оптических или электронных материалов, однако для этого требуется контроль содержания примесей и границ зерен. Тем не менее, монокристаллические пластины гораздо сложнее выращивать в больших количествах. В настоящее время основными препятствиями для производства алмазов являются минимизация неоднородностей, таких как плотность дефектов (от 103 до 106 см2 при размерах до 10 мм), примесей и дислокаций, а также увеличение размера пластины.
Мозаичные пластины являются одним из таких методов изготовления. Это гомоэпитаксиальный метод, при котором толстые слои химического осаждения из паровой фазы, или монокристаллические пластины выращиваются на одном и том же кристалле алмазной затравки (рис. 1). Существует также вариант гетероэпитаксиального выращивания, при котором алмазы осаждаются на поверхность других материалов, например, сапфира с иридиевым покрытием, и расслаиваются с образованием монокристаллической пластины. В этих процессах обычно используется микроволновое плазмохимическое осаждение из паровой фазы с использованием плазменных реакторов для создания алмазной пленки.
Надежное достижение 4-дюймового рубежа является постоянной проблемой в отрасли в условиях низких темпов роста. Это ключевой этап, поскольку позволяет осуществлять массовое производство, что делает его целью многих развивающихся компаний, занимающихся производством алмазных полупроводников.
Поскольку заводы по производству алмазов работают над созданием алмазов оптического и электронного качества в больших масштабах, их первоначальное применение, как правило, заключается в терморегулировании, производстве электродных материалов и режущего инструмента. За последние годы синтетические алмазы добились значительного прогресса, о чем свидетельствуют несколько недавних стартапов.
Состояние алмазно-полупроводниковой промышленности
Компания Diamond Foundry, основанная в 2012 году, уже изготовила первую 100-миллиметровую (4-дюймовую) пластину из монокристаллического алмаза в 2023 году, а в конце 2025 года в Трухильо, Испания, был запущен завод по производству алмазов стоимостью 2,77 млрд. долларов, использующая оборудование 10-го поколения кластерные плазменные реакторы, технологии мозаичного синтеза и разделения пластин. Компания опубликовала не так много информации о своем прогрессе в этих трех основных областях.
У компании Diamfab, основанной в 2019 году, есть план разработки 4-дюймовых алмазных пластин для массового производства к 2026 году, однако основные этапы в рамках этого плана не разглашаются. Компания добывает алмазы из метана, что открывает путь к экологичному производству полупроводников и сокращению углеродного следа, расщепляя метан на твердые атомы углерода. Это должно происходить при высоких температурах, порядка от 600°C до 1200°C, часто в присутствии катализатора, такого как никель или углерод, для изготовления алмаза, полученного на подложке с помощью микроволнового плазмохимического осаждения из паровой фазы, например, из Si, вольфрама, SiC и т.д., обычно с использованием плазменного реактора.
Фирма Element Six, входящая в группу компаний De Beers, специализируется на производстве подложек для химического осаждения размером 10×10 мм для терморегулирования мощной электроники, радиочастотной и оптоэлектронной аппаратуры. Они также выпускают различные марки поликристаллических алмазных пластин, которые могут быть изготовлены диаметром до 140 мм.
Orbray Group (ранее Adamant Namiki Precision Jewel Co.) – японский производитель прецизионных компонентов, который изготавливает высокочистые 2-дюймовые пластины для химического осаждения и активно продвигается к 4-дюймовым возможностям. Они решили сосредоточиться на гетероэпитаксиальном росте, используя свой процесс «ступенчатого роста» для бокового выращивания кристаллов алмаза на сапфировой подложке, покрытой иридием (рис. 2). Этот процесс предназначен для уменьшения накопления напряжений во время роста, которые могут вызвать трещины.
Американский стартап Advent diamond, основанный в 2010 году, начал коммерциализацию своего запатентованного метода выращивания монокристаллических алмазов, легированных фосфором, в 2016 году и сосредоточен на дальнейшем развитии этого метода для некоторых материалов подложек. Фосфор был выбран потому, что это единственная мелкая легирующая добавка n-типа для алмазов; компания предлагает пластины, изготовленные путем химического осаждения из паровой фазы с n-типом, p-типом и внутренними слоями, которые могут быть адаптированы для конкретного применения.
Полупроводники Akhan: алмаз на кремнии
Помимо гонки за выращиванием 4-дюймовых пластин путем химического осаждения из паровой фазы, компания Akhan Semiconductor предложила альтернативный метод, в котором основное внимание уделялось выращиванию поликристаллического алмаза на кремнии. Компания, возглавляемая Адамом Ханом, была основана в 2010 году и работает над интеграцией технологии «алмаз-на-кремнии», а в 2021 году представила инновационную 300-миллиметровую КМОП-матрицу на платформе Miraj Diamond. По их технологии тонкий слой алмаза наносится на кремниевые подложки при низких температурах, что обеспечивает совместимость с существующими производственными линиями. В прошлом году Diamond Technologies (DTI) приобрела портфель активов Akhan, который включал патенты на алмазные пленки.
Diamond Quanta: «Делаем алмаз таким же доступным, как кремний»
Однако с тех пор Адам Хан перешел к своему новому стартапу Diamond Quanta, основанному в 2024 году, который расширяет возможности низкотемпературного синтеза алмазов, совместимого с КМОП-обработкой.
«Первым шагом было создание платформы «алмаз-на-кремнии» при достаточно низкой температуре, чтобы она была совместима с КМОП-матрицей. Мы можем изготавливать как «пластину-на-пластине» (W2W), так и «чип-на-пластине» (C2W)», - сказал Адам Хан. Как следует из названия, технология W2W объединяет две пластины в точном совмещении. Эта технология часто используется в современных устройствах для объединения функций, таких как память и логика, и представляет собой многочиповое гетерогенное интеграционное решение в сочетании с технологиями 3D-соединения. Аналогичным образом, C2W позволяет создавать 3D-пакеты, преодолевая ограничения по масштабированию в 2D, сокращая объем решения и улучшая передачу данных».
«Дебют 300-мм подложек стал результатом нашего партнерства с ExtenD Corporation. Мы запускаем наш процесс на их лучшей в своем классе системе химического осаждения из паровой фазы с горячей нитью накаливания, интегрированной компанией Heller Industries», - отметил Хан (рис. 3). В прошлом году было объявлено о партнерстве между Diamond Quanta и ExtenD Corporation – японской компанией, специализирующейся на искусственном интеллекте и алмазной электронике, – что позволило стартапу использовать двигатель ExtenD для реализации крупномасштабного производства алмазной оптики.
Метод химического осаждения из паровой фазы с горячей нитью накаливания обеспечивает более низкую стоимость и большую площадь осаждения, что приводит к гораздо более высоким темпам роста, чем в случае с микроволновым плазмохимическим осаждением из паровой фазы. Реакторы микроволнового химического осаждения стали предпочтительными для формирования монокристаллических пластин высокой чистоты, в то время как горячая нить накаливания используется для выращивания текстурированных алмазных пленок на подложках, например, Si.
«Вторая часть – это уплотнение, потому что алмаз очень шероховатый, даже поликристаллический, поэтому, уплотняя его, мы разглаживаем его, и он может быть непосредственно интегрирован с помощью склеивания», - заявил Хан. Технология была разработана в тандеме с Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса и подробно описана в статье «Снижение уровня дислокационных дефектов за счет индуцированного лазерным излучением уплотнения алмаза в расплавленном состоянии наносекундной длительностью».
Хан объясняет, что сочетание низкотемпературного синтеза алмаза и лазерного наращивания позволяет реализовать их план по созданию крупномасштабной фотоники и микроэлектроники: «Теперь мы можем наносить алмаз на стандартные промышленные материалы и уплотнять структуру, чтобы сделать ее гладкой».
В настоящее время Diamond Quanta работает с компаниями-производителями над интеграцией их продуктов для терморегулирования, например, материалов для термоинтерфейса, в дополнение к которым они применяют свой процесс совместного легирования для синтетических алмазных материалов n-типа и p-типа. «Идея состоит в том, чтобы размеры алмазов соответствовали промышленным стандартам, поэтому мы начинаем с пассивных или термических технологий, затем переходим к интегрированным гетероструктурам и, наконец, к алмазным устройствам, чтобы сделать алмаз таким же доступным, как кремний».
На сегодняшний день компания использует многокамерное конфигурационное оборудование Heller Industries, которое объединяет в себе множество инструментов для изготовления, что, по словам Хана, делает ее продукцию более дешевой в изготовлении, чем SiC и GaN, поскольку технология создания алмаза на оксидах и других материалах подложки при низких температурах с использованием стандартной технологии химического осаждения из паровой фазы «сделана из предшественника метана, так что мы не имеем дела с такими важными минералами, как галлий».
Компания уже приступила к предварительному тестированию некоторых прототипов силовых устройств. Описывая испытания, проведенные на их PIN-диоде на основе алмаза (рис. 4), Хан заявил: «Производительность SiC также начинает снижаться примерно при температуре 300 °C; мы не показали снижения производительности при температуре от 400 до 600 °C».
Оптика для AR-дисплеев: шаг на пути к полупроводникам
Новинкой выставки CES 2026 стала адамантиновая оптика Diamond Quanta: оптически прозрачный алмазный материал с высокой теплопроводностью, который может быть интегрирован в многослойные стеклянные дисплеи дополненной реальности (AR). «Идея здесь заключается в том, чтобы придать алмазу твердость и устойчивость к царапинам, сохраняя высокое оптическое качество при одновременном снижении износа».
В их зоне Eureka Park на выставке CES была представлена демонстрационная версия испытания методом царапания Corning с линейным абразивом, разработанная для воспроизведения реальных падений, например, при падении телефона на твердый асфальт. Тест был проведен на стекле без покрытия и алмазном стекле смартфона Huawei Pura 80.
Царапины были оценены с помощью лазерного 3D-профилографа для определения их глубины и не были обнаружены на алмазном стекле (рис. 6). «И это, конечно, наш стартовый продукт, но он позволяет выполнять остальную часть нашей дорожной карты», - сказал Хан, рассказывая о коммерческой целесообразности этого продукта. «Если вы платите 1000 долларов за смартфон, вам не нужна дополнительная защитная пленка для экрана».
Стратегический план Diamond Quanta
Более актуальные области применения полупроводников включают в себя использование их алмазной технологии не только для дисплеев и TIMS, но и для алмазных вставок. «Стекло уже используется в технологии промежуточных слоев и укладки в упаковку, но алмаз на нем не только выравнивает температурный градиент, но и делает его более плоским», - отметил Хан.
Рассказывая о планах Diamond Quanta, Хан пояснил: «Производство алмазного стекла начнется в этом году, передача технологий запланирована на 2027 год, а выход на рынок намечен на 2028 год». Аналогичным образом, что касается потребителей, то Diamond Quanta начинает выпуск своей термической продукции: «Мы ожидаем, что она появится на рынке в течение трех лет», - сказал Хан.
Помимо этого, в 2027 году Diamond Quanta активно изучает прототипы гетероструктур с легированным покрытием с целью коммерциализации, передачи технологий и запуска в производство к 2030 году, разрабатывая силовые устройства на основе алмаза в течение 5 лет.
