隨著人工智能、大模型和高性能計(jì)算快速發(fā)展，AI芯片算力不斷提升，但隨之而來(lái)的高功耗、高熱流密度問(wèn)題也成為產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。作為目前已知導(dǎo)熱性能最優(yōu)的材料之一，金剛石正加速進(jìn)入先進(jìn)芯片散熱領(lǐng)域。
7月15日，湖北碳六科技有限公司與西寧東川工業(yè)園區(qū)管委會(huì)完成項(xiàng)目簽約，總投資約2億元的金剛石半導(dǎo)體材料生產(chǎn)項(xiàng)目正式落地西寧。該項(xiàng)目將依托西寧豐富的清潔能源優(yōu)勢(shì)，建設(shè)CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石材料生產(chǎn)基地，進(jìn)一步完善當(dāng)?shù)馗叨税雽?dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)布局。
據(jù)介紹，湖北碳六科技成立于2017年，長(zhǎng)期專注于CVD金剛石材料及相關(guān)制品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，是國(guó)內(nèi)較早布局CVD金剛石規(guī)模化制造的企業(yè)之一。公司圍繞金剛石生長(zhǎng)、加工及應(yīng)用建立了自主技術(shù)體系，核心生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，上下游配套環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)化程度較高。目前，公司已具備穩(wěn)定制備最大8英寸規(guī)格金剛石產(chǎn)品的能力，產(chǎn)品主要應(yīng)用于光學(xué)窗口、半導(dǎo)體熱管理等領(lǐng)域。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，金剛石最受關(guān)注的應(yīng)用方向之一就是高功率芯片散熱。隨著AI服務(wù)器、GPU、先進(jìn)封裝等領(lǐng)域快速發(fā)展，傳統(tǒng)銅、鋁等散熱材料逐漸接近性能極限，而金剛石憑借超高熱導(dǎo)率成為下一代熱管理材料的重要候選。
數(shù)據(jù)顯示，金剛石熱導(dǎo)率最高可超過(guò)2000 W/(m·K)，約為銅材料的5倍，是硅材料的十余倍，具備極強(qiáng)的熱擴(kuò)散能力。利用CVD金剛石制備的熱沉片，可以快速將芯片運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量導(dǎo)出，有助于緩解高算力芯片因溫度升高導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題。
目前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在加速探索金剛石散熱方案。例如，在高功率射頻器件、激光器、功率半導(dǎo)體以及AI芯片先進(jìn)封裝領(lǐng)域，金剛石憑借優(yōu)異的導(dǎo)熱性能逐漸成為重要技術(shù)路線。
不過(guò)，CVD金剛石產(chǎn)業(yè)化仍面臨成本較高的問(wèn)題。其中，持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)是影響生產(chǎn)成本的重要因素之一。金剛石生長(zhǎng)過(guò)程需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行高溫、高能耗設(shè)備，對(duì)電力穩(wěn)定性要求較高，因此能源條件成為相關(guān)企業(yè)布局的重要考量。
此次湖北碳六項(xiàng)目選擇落戶西寧東川工業(yè)園區(qū)，正是看中了當(dāng)?shù)刎S富的清潔能源資源。青海擁有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能及水電資源，綠電供應(yīng)優(yōu)勢(shì)明顯。依托低成本、穩(wěn)定的綠色能源，項(xiàng)目未來(lái)有望降低CVD金剛石生產(chǎn)過(guò)程中的能源成本，提高材料規(guī)模化制造能力。
值得關(guān)注的是，目前市場(chǎng)對(duì)于金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的討論，更多集中于芯片散熱應(yīng)用，但從產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，金剛石的價(jià)值并不止于熱管理。
作為一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，金剛石擁有超寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。從理論性能來(lái)看，金剛石在高功率、高頻、高溫電子器件領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)第四代半導(dǎo)體材料的重要候選之一。
在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，金剛石能夠承受更高電壓和更高工作溫度，理論上適用于下一代高壓電力電子器件。例如，在新能源汽車(chē)、高壓輸電、航空航天等應(yīng)用場(chǎng)景中，金剛石器件有望突破傳統(tǒng)硅基材料的性能限制。不過(guò)，目前金剛石半導(dǎo)體仍面臨晶體質(zhì)量、摻雜技術(shù)、器件制備工藝以及成本等挑戰(zhàn)，距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用仍需要進(jìn)一步技術(shù)積累。
在射頻領(lǐng)域，金剛石優(yōu)異的熱管理能力與電子性能，使其成為高頻、高功率射頻器件的重要研究方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在探索GaN-on-diamond（金剛石襯底氮化鎵）等異質(zhì)集成路線，通過(guò)發(fā)揮氮化鎵的高頻優(yōu)勢(shì)與金剛石的散熱優(yōu)勢(shì)，提升下一代通信和雷達(dá)系統(tǒng)性能。
此外，金剛石中的氮-空位（NV）色心等缺陷體系，在量子傳感、量子計(jì)算等前沿方向也受到廣泛關(guān)注，使金剛石從傳統(tǒng)超硬材料進(jìn)一步拓展到先進(jìn)功能材料領(lǐng)域。
因此，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，當(dāng)前金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展可以看作是由“輔助材料”向“核心材料”逐步探索的過(guò)程。短期來(lái)看，AI服務(wù)器、高性能芯片帶來(lái)的散熱需求，有望成為推動(dòng)CVD金剛石產(chǎn)業(yè)化的重要突破口；長(zhǎng)期來(lái)看，隨著材料制備、外延生長(zhǎng)和器件工藝不斷成熟，金剛石在功率電子、射頻通信以及量子技術(shù)等領(lǐng)域仍具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
未來(lái)，金剛石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展或許并非單一路徑，而是圍繞“材料創(chuàng)新+應(yīng)用融合”展開(kāi)。從芯片散熱到半導(dǎo)體器件，從傳統(tǒng)超硬材料到新型功能材料，金剛石正在進(jìn)入一個(gè)更加多元化的發(fā)展階段。
也正因如此，第六屆碳基半導(dǎo)體材料與器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇以"創(chuàng)新融合｜不止是散熱"為主題，將圍繞金剛石散熱、金剛石半導(dǎo)體器件、GaN-on-Diamond、量子技術(shù)、碳基材料等多個(gè)熱點(diǎn)方向展開(kāi)交流，邀請(qǐng)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、科研院所及終端應(yīng)用單位共同探討碳基半導(dǎo)體的最新技術(shù)進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。歡迎掃描下方二維碼報(bào)名參會(huì)，與產(chǎn)業(yè)專家共同探索金剛石"不止是散熱"的發(fā)展新機(jī)遇。
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