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郑州华晶金刚石股份有限公司

芯片之痛掣肘中国,半导体材料中金刚石有哪些用武之地?

关键词 金刚石 , 半导体 , 芯片|2020-09-28 09:44:35|来源 中国超硬材料网
摘要 芯片困局掣肘中国2020年5月16日,美国商务部工业与安全局(BIS)突然宣布,将全面限制华为购买采用美国软件和技术生产的半导体,包括美国以外被列入管制清单的生产设备,在为华为和海...

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芯片困局 掣肘中国

2020年5月16日,美国商务部工业与安全局(BIS)突然宣布,将全面限制华为购买采用美国软件和技术生产的半导体,包括美国以外被列入管制清单的生产设备,在为华为和海思生产代工前,都要获得美国允许。
8月,美国商务部又进一步收紧了对华为获取美国技术的限制,并将华为在全球21个国家的38家子公司列入了“实体名单”。9月15日起,凡使用美国企业的设备、软件和设计生产的半导体公司(先前的技术限定标准是25%,去年12月降至10%,现在变成了0),未经美国政府批准不得向华为供货。

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这意味着,使用美国任何技术的芯片企业都不能与华为有任何形式的合作,也不能卖芯片给华为,彻底切断了华为从外界寻求代工制造到成品芯片购买的所有途径。

禁令之下,台积电、英特尔、高通、联发科、美光等芯片大厂都相继宣布,9月15日后将无法继续为华为供货。据韩国媒体9月9日报道,三星和SK海力士两大存储芯片巨头将于9月15日起停止向华为出售零部件。同时,三星电子旗下的三星显示器及LG显示器预计将从9月15日起停止向华为的高端智能手机供应面板。
       很多人问,华为乃至中国就不能完全不用美国技术去自己制造芯片吗?答案显然是不能。高端芯片是一个长期烧钱,知识产权壁垒、产业壁垒、专利壁垒都很高的产业,非一日之功就能突破。
       而结合半导体行业特性,随着新材料的推陈出新,第三代半导体材料金刚石在半导体芯片行业的应用也越来越广泛,有可能产生推动中国半导体芯片产业的发展的重要科技创新。

       芯片衬底

       自20世纪50年代开始,以硅(Si)、锗(Ge)为主的第一代半导体材料使用至今已有70余年,时至今日,仍有95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路由硅材料制作,但因硅自身的物理性质缺陷,限制了其在高频功率器件上的应用。而以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料虽然在二十世纪末风靡一时,但因其价格昂贵,且具有毒性,使得其应用受到很大的局限性。现如今,以金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为主的具有超宽带隙特性的第三代半导体材料已成为国际竞争的热点。
       作为第三代半导体材料中的佼佼者,金刚石材料具备高热导率、高击穿电场、高载流子迁移率、高载流子饱和速率和低介电常数等优异的特性,满足现代电子技术对高温、高压、高功率、高频率以及抗辐射等恶劣条件的要求,已是业界公认的“终极半导体材料”。
       芯片散热材料——热沉

       随着科学的发展和技术装备的提升,激光二极管列阵等大功率高密度器件已被越来越多地应用于集成电路之中,但受限于普通材料的散热性能,导致温度不断升高,大大降低了其性能,同时缩短了使用寿命。

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MPCVD金刚石热沉片

单晶金刚石材料具有目前所知的天然物质中最高的热导率,且工作温度最高可达600℃以上,并具备化学性质稳定、电器绝缘性好、介电常数小、热膨胀系数与器件材料的膨胀系数基本相同、表面平滑性好等特性,是目前用作高功率密度的高端器件的散热元件最理想的材料,可被应用于5G芯片、激光二极管阵列、高速计算机CPU芯片多维集成电路、军用大功率雷达微波行波管导热支撑杆、GaN on diamond复合片、卫星扩热板、微波集成电路基片、集成电路封装自动键合工具TAB等高技术领域。

冷阴极场发射显示器

随着“大脑袋”电视、显示器(即传统阴极射线管显示器,简称CRT)逐渐离开人们的视线,平板显示器、电视迅速走进了千家万户,成为日常生活必不可少的工具。现在市场上主流平板显示器主要有两种:一是等离子显示器(PDP),依靠高能量的电子束轰击屏幕产生图像,其缺点是工作电压大、能耗高且制造成本高;二是液晶显示器(LCD),依靠液晶材料对光线的偏光作用产生图像,其缺点是显示速度慢、能耗高、视角范围小。

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冷阴极场发射显示器

       由于单晶金刚石材料在光学、力学、热学、电学等方面表现出的优异特性,采用单晶金刚石材料制作冷阴极场发射显示器(FED)已成为各大屏幕生产企业研发的重点。FED是一种自发光型平板显示器,在继承其他显示器优点的前提下,完美摒弃了其缺点。首先FED由数十万个冷发射子组成,在亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度方面均表现优异;其次,FED显示器核心部件的冷发射阴极到阳极的距离仅为100μm,完全符合现在超薄显示器发展规律;另外FED采用冷阴极电子源,具有功耗低、自发光、工作环境温度范围宽等优点,工作电压仅为1kV。随着MPCVD生产金刚石材料的技术不断成熟,FED统领显示器市场必将指日可待。
       金刚石以其优异的性能在高端制造业如精密工具、耐磨零件、光学元件涂层、电子产品配件加工等领域有广泛应用。此外单晶金刚石不光是“工业牙齿”,还是“终极半导体”, 以金刚石为代表的第三代宽禁带半导体及器件是未来集成电路,信息时代发展的基础,在生物检测和医疗、平板显示、环保工程、功能器件等多个高新技术领域都有巨大的应用潜力。

基于此,2020年11月18-20日,由中国超硬材料网&DT新材料主办的第五届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。届时,金刚石论坛将设超宽禁带半导体及功能器件分论坛,围绕金刚石在半导体器件、5G通信、导热散热等领域的创新应用为议题,邀请行业大咖、专家学者、企业代表探讨交流,开启金刚石半导体及功能器件应用新时代。

超宽禁带半导体及功能器件分论坛

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