來源：杜芹半導體行業觀察

近幾年來，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）已經成功登上了半導體材料的舞臺，憑借其卓越的節能和小型化優勢，掀起了一場技術革新。然而，如果說它們是“明日之星”，那么金剛石半導體材料無疑將成為未來的王者，因為金剛石的硬度、聲速、熱導率、楊氏模量等物理特性在所有材料中都首屈一指。

令人意外的是，幾年前，SiC的廢料還被用來制造莫桑鉆，憑借高性價比迅速贏得了市場的青睞。如今，真正的“鉆石”——金剛石，正加速邁向半導體領域，隨著全球各國的積極布局和技術突破，金剛石的產業鏈正在日益建立起來，如下圖所示。這一傳奇材料的半導體化之路已悄然鋪開，未來可期。

金剛石半導體產業鏈（圖源：Yole）

終極功率半導體材料：金剛石

眾所周知，在高溫和高熱的條件下，硅器件的效率正日益達到極限。因而探索出了SiC和GaN。雖然由碳化硅、氮化鎵和其他材料制成的堅固而強大的半導體廣泛用于處理高電壓和高電流的電動汽車、軌道車和 5G基站，但通信系統的數據容量不斷增加，迫切需要性能更佳的半導體。

為金剛石因其優異的物理特性而常被稱為“終極功率半導體材料”。其中包括：1）帶隙大，抗介電擊穿能力強。2）遷移率（開關速度）高，功耗低。3）在高溫、高輻射環境下也能穩定運行。金剛石特別適合用于功率半導體，因為作為絕緣體，金剛石的介電擊穿強度是硅的33倍，遠高于SiC和GaN。帶隙是硅的5.5倍，帶隙是指固體材料中不存在電子態的能量范圍。帶隙越大，發生介電擊穿的可能性就越小。金剛石功率半導體還可在大約 5倍高溫的環境中工作，理論上可處理大約 50,000倍的電力。

以硅為1的相對值進行比較

（來源：orbray公司）

金剛石在在高功率、高頻率和高溫環境下，具有比硅和碳化硅更為優越的性能。

（來源：ookuma dimond device公司）

金剛石半導體的一個潛在應用領域是通信衛星。通信衛星通過無線電波與地面進行通信，需要高頻率和高功率才能有效運行。早期的通信衛星使用真空管。然而，真空管由于體積大、能量損失大而效率低下。盡管人們一直期望用半導體取代真空管，但外太空的惡劣環境可能會干擾真空管的運行。金剛石半導體提供了一種潛在的解決方案，因為它們結構緊湊，能夠承受通信衛星所需的頻率和輸出，從而實現高效的信號放大。它們還耐熱、耐宇宙射線，從而實現穩定運行。

另外一個應用是核電領域，金剛石半導體對于制造能夠在核事故、退役工作和基站應用中遇到的高溫和放射性條件（耐惡劣環境）等惡劣環境下運行的模擬設備至關重要。再就是量子計算領域等等。

作為終極功率半導體材料，金剛石的生產也是極具挑戰的。金剛石的硬度使其難以以電子設備所需的精度進行研磨和加工。金剛石在半導體中長期使用時也會變質。嘗試用金剛石形成更大的襯底是一項特別的挑戰，而且成本也阻礙了其商業化。

盡管如此，業界還是有不少公司、大學和研究機構投身于金剛石半導體材料的研究，而且已經有不少公司取得了不錯的進展，為金剛石的工業化鋪平道路。

日本走在前列

在金剛石半導體材料的研究進展方面，日本無疑處于全球領先地位。從金剛石襯底的研發，到器件的設計，再到設備的制造，日本已經均有所布局，產業鏈逐步完善。

Orbray公司量產2英寸金剛石襯底晶圓

早在2021年，總部位于東京的精密部件制造商 Orbray采用異質外延法已開發出 2英寸金剛石晶圓的量產技術。Orbray成立于1939年，以制造電表用寶石軸承起家，核心技術是寶石加工技術（切割、研磨和拋光）目前，該公司生產和銷售精密寶石零件、直流無鐵心馬達、光纖元件和醫療器械。特別是在合成鉆石和藍寶石的培育技術方面，Orbray取得了世界上最先進的成果。

2英寸晶圓（來源：Orbray）

Orbray開發了一種創新的階梯流動生長技術，用于生長符合工業應用需求的2英寸（50毫米）直徑鉆石晶體。充分利用藍寶石基底技術，精確控制基藍寶石晶圓。傾斜的Ir/藍寶石表面使得鉆石晶體沿水平方向生長，從而緩解了生長過程中的應力積累。現在，該公司正在向4英寸的襯底晶圓目標奮進，計劃在 2029年上市，旨在籌集最多100億日元，加強其秋田工廠的生產。他們所生產的鉆石晶圓被命名為KENZAN Diamond。

Orbray公司的階梯流生長技術

（來源：Orbray）

2024年6月，Orbray與Element Six宣布建立戰略合作，以提供世界上最高質量的晶圓級單晶 (SC)合成金剛石。Element Six是第一家建立和開發化學氣相沉積 (CVD)平臺的公司，該平臺可實現大面積、均勻的多晶金剛石生長，直徑可達 150毫米，后來，它又率先開發和生產電子級 SC金剛石，并于 21世紀將其首批 SC產品系列商業化。最近，E6在俄勒岡州格雷舍姆開設了一家世界一流的CVD工廠，實現了高品質 SC合成金剛石產品的可持續、規模化生產。

佐賀大學開發出金剛石半導體電路

2023年，日本佐賀大學（Saga University）團隊成功開發出全球首個采用金剛石半導體的電源電路。這一突破是與日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA)合作實現的，重點是用于太空通信的高頻元件。JAXA與佐賀大學在這些項目上的合作凸顯了金剛石半導體的吸引力，不僅因為它們的耐用性，還因為它們能夠使衛星和航天器系統實現更高效的電源管理，這是可靠性至關重要的太空探索任務中的關鍵因素。

采用金剛石半導體的電源電路

（Saga University）

用金剛石制成的P型垂直MOSFET

2024年8月23日，日本早稻田大學報告了一種由金剛石制成的垂直MOSFET，其漏電流實現了超過1 A。他們在論文中指出，p型MOSFET是實現高速度運行和小型化柵驅動電路所需互補反相器和轉換器的關鍵器件。盡管 SiC、GaN和 Ga?O?等寬帶隙半導體在n通道 MOSFET中表現出色，但它們在p型應用中不理想。而金剛石因其高擊穿電場（10 MV/cm）、高熱導率（22 W/cm·K）、高空穴遷移率（2000至 3800 cm2/V·s），以及能夠在其表面誘導二維空穴氣（2DHG）等特性而成為p通道功率器件的理想材料。

在Nobutaka Oi等人的研究中，在 VDS=?20V條件下，最大漏電流達到1.5A，并在 VDS=–10 V時獲得了高達 9.5個數量級的開關比。對于柵寬為 2 mm的器件，其特定導通電阻和漏電流密度分別為 118mΩcdotpmm和85mA/mm。通過連接更多單元（或器件）并降低源電極電阻等寄生電阻，可以進一步提高最大漏電流。[Nobutaka Oi等人，IEEE Electron Device Letters，2024年 8月 7日在線發表]

圖（a）柵極寬度為5毫米器件的光學顯微鏡圖像（S：源極，G：柵極）（b）虛線區域的橫截面圖像。

（來源：IEEE）

圖(a)顯示了在單片基板上通過并聯連接兩個器件（器件B，柵寬10 mm）的ID-VDS特性曲線，在VDS=?20V和VGS=?20V時，最大漏電流達到1.5A；圖 (b)展示了在VDS=?20V時單個或兩個器件（包括器件 A和器件 B）的漏電流特性。（來源：IEEE）

基于早稻田大學教授Hiroshi Kawarada教授的開創性工作，初創公司Power Diamond Systems致力于實現這些成果技術的轉化。該公司于2024年12月開發出一種金剛石元件，能夠處理世界領先的 6.8A電流，。該公司計劃在幾年內開始運送樣品。

由北海道大學和日本產業技術綜合研究所 (AIST)與2022年3月共同創立的初創企業Ookuma Diamond Device，正在福島縣建造一家工廠，將大規模生產鉆石半導體，主要商業集中在退役/耐受輻射裝置、衛星通信及雷達業務、基站業務（超5G）。該工廠將于 2026財年開始運營，目標是將半導體安裝在用于清除受災福島第一核電站殘骸的設備中。這些核廢料是2011年福島核事故中反應堆結構和核燃料熔化產生的高放射性殘留物，只有鉆石半導體等耐高輻射的設備才能處理它們。

拋光設備公司

人造金剛石在制造和拋光上尚面臨高成本和加工難度。隨著人造金剛石制造和拋光技術的進步，預計將有助于解決這些問題。

生產用于研究設施的精密設備的JTEC公司擁有利用等離子拋光高硬度材料表面的設備，適用于單晶金剛石、SiC、GaN和其他硬度材料。該公司已經成功高效且無損地拋光了世界領先尺寸的單晶金剛石基板，并已接到用于金剛石材料加工的開發設備的訂單。

PAP（等離子輔助拋光）工藝是一種獨特的拋光工藝，利用等離子對工件/密封件的表面進行改性，專門用于拋光鉆石等硬質材料。與使用傳統鉆石磨料等的機械拋光相比，它效率更高，并且可獲得損傷和缺陷更少的表面。預計它將被用于未來作為功率器件備受關注的鉆石基板的加工。

JTEC的PA1100是用于金剛石拋光的設備

（來源：JTEC）

金剛石吸引車企的關注

一些大型公司也開始關注金剛石半導體并積極投資。由豐田汽車與電裝合資成立的汽車半導體研究公司通Mirise Technologies，于2023年5月，與Orbray合作開發電動汽車垂直金剛石功率器件。

該項目為期三年，在此次研究合作中，Orbray將負責開發 p型導電金剛石襯底，而 MIRISE將負責開發高壓操作器件結構，以證明垂直金剛石功率器件的可行性。項目結束時，兩家公司計劃討論下一階段的合作，例如進一步研發。

美國的步伐加快

美國近幾年來陸續誕生了一些金剛石半導體初創公司，這些公司大多利用多年的學術研發專業知識來推動半導體金剛石器件的商業化。

Diamond Foundry開發出世界首個單晶鉆石晶圓

2023年10月2日，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公司創造出了世界上首個單晶鉆石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。該公司的創始團隊由麻省理工學院、斯坦福大學和普林斯頓大學的工程師組成。按照該公司的規劃，在2023年以后，他們計劃在每個芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動鉆石材料在半導體行業的應用，如用于制造晶體管或其他半導體元件的基底材料。

（來源：DF官網）

Diamond Quanta在摻雜上實現突破

2024年6月6日，美國初創公司Diamond Quanta宣布其專有的新型金剛石半導體制造和摻雜技術取得了重大突破。該公司成立于 2024年 1月，總部位于加利福尼亞。該公司還于去年9月被選中加入Plug and Play著名的半導體和光子加速器計劃。

雖然這家公司成立才1年但是Diamond Quanta首席執行官兼創始人Adam KhanAdam Khan卻是鉆石半導體技術的先驅。他在實驗室培育鉆石技術領域工作了15年。Diamond Quanta是Adam創辦的第二家鉆石半導體初創公司，第一家是 Akhan Semiconductor，專注于薄膜納米晶體鉆石，他在創新實驗室生產的鉆石薄膜以用于各種應用方面發揮了關鍵作用，例如使用 Miraj Diamond Glass增強智能手機屏幕和鏡頭，使用Miraj Diamond Optics提高飛機的生存能力。

Diamond Quanta的目標是克服與成功摻雜金剛石相關的挑戰以及目前與傳統方法相關的限制缺陷和電荷傳輸問題。金剛石中的 N型摻雜會引起幾何變形，通過消除退化電子態來降低金剛石的體積能量。這些變形會顯著影響電子態，從而影響傳輸特性。電場中的載流子利用與空位或缺陷相關的局部陷阱態，這種機制稱為陷阱輔助跳躍或可變范圍跳躍。由于強局部化和缺陷產生的不規則勢場散射增加，載流子的遷移率較低，與完美晶格相比，載流子速度和遷移率降低。解決這些挑戰對于充分發揮金剛石基電子設備的潛力至關重要。

N型摻雜的影響

（圖源：Diamond Quanta）

該公司的核心在于統一鉆石框架 (UDF)。UDF方法植根于一種新穎的鉆石晶體空間和拓撲結構的第一性原理方法，與拓撲物理學和量子實驗的最新進展相一致。該方法提供了對鉆石電子結構的全面理解，超越了傳統的能帶理論。利用行業標準的建模和機器學習技術，包括密度函數理論 (DFT)和 Python/MATLAB，他們探索了基于鉆石的量子技術和先進電子應用的新可能性。

統一鉆石框架 (UDF)

（圖源：Diamond Quanta）

Adam認為，基于鉆石的芯片最終可用于高性能GPU和邏輯應用。不過，目前的重點是功率半導體，以推動該技術的成熟。例如，在電動汽車中，鉆石可以取代重型冷卻系統，減輕汽車重量并增加續航里程。

Advent Diamond正在開發金剛石二極管

Advent Diamond是亞利桑那州立大學科技型初創公司，也是唯一一家能夠使用 p型、n型和本征金剛石生產金剛石電子元件的美國公司。該公司的核心創新之一是能夠在特定基底上生長單晶磷摻雜金剛石，磷摻雜具有特別重要的意義，因為它能夠在金剛石中形成 n型半導體，而 n型半導體是電子設備開發的關鍵元素。此外，Advent Diamond在大面積生長硼摻雜金剛石層方面取得了里程碑式的進展，拓展了金剛石基電子產品的潛在應用。

Advent Diamond已從美國國家科學基金會獲得了75萬美元的資助，用于將基礎電力電子元件二極管推向市場。該公司目前正在開發一系列二極管，電流密度 >1kA/cm2，可以同時滿足傳統二極管無法滿足的高頻和高功率規格，用于雷達系統等射頻應用的接收器保護電路。這些二極管的良好規格得益于金剛石的極端材料特性。

Advent Diamond金剛石二極管特性

（來源：Advent Diamond）

撥款350萬元用于金剛石光控半導體晶體管

2024年1月份，伊利諾伊大學被選中接受美國能源部高級研究計劃署 (ARPA-E)的 350萬美元資助。這筆資金是 ARPA-E的ULTRAFAST計劃的一部分，該計劃旨在通過以芯片為中心的創新來改善國內電網的控制和保護。這個項目的研究重點是金剛石這種新型半導體材料，開發光學觸發金剛石半導體開關器件。該項目將開發和優化鉆石光控結型場效應晶體管 (DOG-FET)技術。

美國大學發現摻硼鉆石新特性

2025年初，美國的兩所大學凱斯西儲大學和伊利諾伊大學香檳分校的研究人員在添加了硼的鉆石中發現了另一種有趣的特性，即硼摻雜鉆石。鉆石由透明的碳元素晶體組成，可通過添加少量硼（位于元素周期表中碳的旁邊）來合成。硼比碳少一個電子，因此可以接受電子。硼本質上會在材料中打開一個周期性的電子“空穴”，從而提高材料的導電能力。摻硼的鉆石晶格保持透明，并呈現藍色色調。這對于先進的生物傳感器、納米級光學設備以及改進太陽能電池和量子設備非常重要。

他們的發現可能為新型生物醫學和量子光學設備鋪平道路——速度更快、效率更高，并且能夠以傳統技術無法實現的方式處理信息。他們的研究結果發表在《Nature》上。

歐洲注重金剛石制造

DIAMFAB攻堅4英寸金剛石晶圓

DIAMFAB是一家位于法國格勒諾布爾的高科技初創公司，成立于2019年，設于法國國家科研中心尼爾研究所。以格勒諾布爾法國國家科學研究院 (CNRS) 30年的研發工作為基礎。這家初創公司專注于人造金剛石的外延和摻雜，在薄金剛石層生長和電子元件設計方面擁有四項專利。金剛石可以摻雜硼（B）的p型，也可以摻雜氮（N）或磷（P）的n型。DIAMFAB精通硼和氮摻雜。

Diamfab的目標是到2026年將金剛石晶圓尺寸拓展至4英寸。相較于傳統硅基半導體，金剛石器件所需晶圓面積更小，成本更低。Diamfab首席執行官Gauthier Chicot表示：“金剛石器件有望在4英寸晶圓上與SiC展開競爭。”它已從一個投資者財團獲得總計870萬歐元的首輪融資，這筆融資將使該公司能夠建立一條試驗生產線，這是邁向商業化的關鍵一步。DIAMFAB采用兩種技術來合成金剛石晶圓：HPHT（高壓高溫）或MPCVD（微波等離子體化學氣相沉積）。

自 2019年成立以來，Diamfab 已經建立了一個由國際合作伙伴和客戶組成的生態系統，這些合作伙伴和客戶正在幫助開發這項技術，其中包括 Soitec、Murata、意法半導體、CEA-Leti和施耐德電氣。

撥款8100萬歐元建設金剛石代工廠

2024年12月17日,歐盟委員會批準西班牙直接撥款 8100萬歐元，支持 Diamond Foundry Europe（美國加利福尼亞州舊金山 Diamond Foundry Inc的子公司）在埃斯特雷馬杜拉特魯希略建立新工廠，總投資額約為 6.75億歐元，用于生產半導體級合成鉆石毛坯。Diamond Foundry表示計劃于 2025年開始生產單晶金剛石芯片，服務于傳統金剛石買家和半導體行業。

襯底材料供應商：Element SiX

Element Six成立于 1946年，現已發展成為人造金剛石和超材料制造領域的全球領導者。Element Six提供廣泛的高品質人造金剛石解決方案，支持半導體和電子制造價值鏈的每個階段，從“前端”晶圓制造、“后端”組裝、封裝和測試，到最終的電子設備生產。

具體而言，CVD金剛石熱管理解決方案可提高任務關鍵型高功率密度 RF放大器的可靠性，并支持對加工后的晶圓和半導體芯片進行測試和檢查。我們的高性能金剛石砂粒、粉末和拉絲模具是切割和拋光半導體晶圓以及智能電子產品中使用的硬質光學材料不可或缺的部分。設備組裝和集成需要對印刷電路板和各種金屬、玻璃和陶瓷材料進行精密加工 -我們的單晶和多晶金剛石系列精密加工工具可提供世界領先的消費電子產品工業制造商所期望的質量和可靠性。

中國也不遜色

如果未來鉆石半導體得到廣泛應用，那么穩定供應高品質的人造鉆石將至關重要。目前，中國是人造鉆石的重要產地之一，據證券時報·數據寶統計，上市公司方面，人造金剛石主要企業有力量鉆石、惠豐鉆石、黃河旋風、國機精工、中兵紅箭、四方達、沃爾德、光莆股份、恒盛能源等等。值得一提的是，中國在金剛石半導體領域也取得了不少突破，中國的研發和產業化進程正在加速推進。

2024年1月，根據西安交大官網信息，西安交大王宏興教授研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，歷經10年潛心研發，獨立自主開發了2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底，并成功實現批量化（如下圖所示），達到世界領先水平。通過對成膜均勻性、溫場、流場及工藝參數的有效調控，實現了襯底表面臺階流（step-flow）生長模式，提高了異質外延單晶金剛石成品率與晶體質量。

圖：2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底照片

（西安交大官網）

XRD測試結果（a）（004）面搖擺曲線；（b）（311）面搖擺曲線；（c）（311）面四重對稱；（d）極圖

該項目榮獲2024年度中國第三代半導體技術十大進展。10年前，我國在此方面的研發幾乎是空白，2013年作為西安交大引進的國家級特聘專家人才王宏興組建西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心，帶領團隊科研人員開始攻關，歷經10年潛心研發，目前已形成具有自主知識產權的金剛石半導體外延設備研發、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術，已獲授權48項發明專利。

2024年12月19日，北京大學東莞光電研究院發布最新研究成果，該院與南方科技大學、香港大學組成的聯合研究團隊，在金剛石薄膜材料制備和應用方面取得重要進展，成功開發出能夠批量生產大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的制備方法。這一發現標志著在金剛石薄膜技術領域的一大飛躍，為未來金剛石薄膜在電子、光學等多個領域的應用提供了新的可能性。該研究成果于12月18日在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上發表。

除了科研院所的研究進展之外，中國也有一些企業正在加速金剛石半導體的產業化。

2025年1月6日，河南四方達控股子公司-河南天璇半導體科技有限責任公司與深圳市匯芯通信技術有限公司簽署了戰略合作協議，雙方將聯合設立“CVD diamond在未來通信中高頻半導體器件應用的聯合實驗室”，并圍繞CVD金剛石在通信中高頻器件應用領域開展多方面合作。河南天璇是四方達功能性金剛石業務戰略的重要落地平臺，一直專注于采用自主研發的MPCVD設備以及CVD金剛石合成工藝，生產超純大尺寸功能性金剛石。

化合積電（廈門）半導體科技有限公司，是一家專注于寬禁帶半導體襯底材料和器件的研發、生產和銷售的高科技企業，公司主要產品包括：晶圓級金剛石襯底、金剛石熱沉片、GaN on Diamond、Diamond on GaN、硅基氮化鋁、藍寶石基氮化鋁、金剛石基氮化鋁等。公司金剛石和氮化鋁核心產品已實現規模化生產。

力量鉆石是國內超硬材料主流供應商，是國內人造金剛石行業主要代表企業，目前已有金剛石產品應用于半導體產業鏈。2025年1月15日，力量鉆石半導體高功率散熱片金剛石功能材料研發制造項目，歷經一年多籌備和建設，于今日正式建成投產。該項目建設高標準金剛石半導體研發中心，購置安裝國際先進設備，重點圍繞“散熱+導熱”展開攻關，面對未來市場，向“大尺寸、增效益、降成本”等方向發展，不斷擴大市場與應用。

力量鉆石的未來規劃

（來源：公司官網）

結語

隨著金剛石半導體材料的前景逐漸顯現，各國不僅在技術研發上加大投入，同時也在全球市場中展開了激烈競爭。美國、日本、歐洲、中國等國家和地區的企業也在積極推動金剛石半導體的研發，力圖在這一領域占據領先地位。可以預見，金剛石已經不再是實驗室討論的話題，它現在正在成為一種工業現實產物。

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審核編輯 黃宇