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全球竞逐金刚石半导体

发布时间：2025-02-14 11:25:29 | 浏览量： 24次

近几年来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）已经成功登上了半导体材料的舞台，凭借其卓越的节能和小型化优势，掀起了一场技术革新。然而，如果说它们是“明日之星”，那么金刚石半导体材料无疑将成为未来的王者，因为金刚石的硬度、声速、热导率、杨氏模量等物理特性在所有材料中都首屈一指。

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终极功率半导体材料：金刚石

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在高温高热条件下硅器件效率趋近极限，SiC 和 GaN 被探索出来，但其仍无法满足通信系统对半导体性能的需求。金刚石因优异物理特性被称为 “终极半导体材料”，如带隙大、迁移率高、高温高辐射下稳定等，特别适合用于功率半导体。

其潜在应用领域包括通信卫星，可解决早期真空管的不足，实现高效信号放大和稳定运行；在核电领域，对制造恶劣环境下运行的模拟设备至关重要；还有量子计算领域等。不过，金刚石生产极具挑战，硬度大难研磨加工、形成大衬底困难且成本高阻碍商业化。即便如此，众多公司、大学和研究机构投身研究，部分公司已取得不错进展，为其工业化铺路。

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日本走在前列

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在金刚石半导体材料的研究领域，日本处于世界领先地位，其产业链发展相当完善。Orbray 公司已成功实现 2 英寸金刚石晶圆的量产，目前正全力投入 4 英寸金刚石晶圆的研发工作。佐贺大学则在技术创新方面取得突破，成功开发出金刚石半导体电路。早稻田大学也成果斐然，制成了高性能金刚石 P 型 MOSFET。同时，日本的创业市场也十分活跃，多家初创企业如 Power Diamond、Ookuma Diamond Device 等，专注于金刚石半导体的生产，不断为行业注入新的活力。在相关技术的发展上，抛光技术也取得了显著的进步。这些成果吸引了众多车企的关注，纷纷对其进行投资，助力金刚石半导体产业进一步发展。

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美国的步伐加快

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美国近几年来陆续诞生了一些金刚石半导体初创公司，这些公司大多利用多年的学术研发专业知识来推动半导体金刚石器件的商业化。

2023年10月2日，一家名为Diamond Foundry（简称DF）的公司创造出了世界上首个单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉，用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。

2024 年 6 月 6 日，Diamond Quanta 宣布在专有新型金刚石半导体制造和掺杂技术上取得重大突破，创始人 Adam Khan 是钻石半导体技术先驱，其统一钻石框架技术未来有望用于高性能 GPU 和逻辑芯片，目前聚焦功率半导体；Advent Diamond 作为亚利桑那州立大学科技型初创公司，是美国唯一能用多种类型金刚石生产电子元件的公司，在磷、硼掺杂金刚石生长上取得进展，科研方面。

2024 年 1 月伊利诺伊大学获 ARPA - E 资助开发金刚石光控半导体开关器件；2025 年初，凯斯西储大学和伊利诺伊大学香槟分校发现掺硼钻石新特性，或为新型生物医学和量子光学设备发展助力，研究成果发表于《Nature》。

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欧洲注重金刚石制造

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DIAMFAB攻坚4英寸金刚石晶圆

DIAMFAB是一家位于法国格勒诺布尔的高科技初创公司，成立于2019年，设于法国国家科研中心尼尔研究所。以格勒诺布尔法国国家科学研究院 (CNRS) 30 年的研发工作为基础。这家初创公司专注于人造金刚石的外延和掺杂，在薄金刚石层生长和电子元件设计方面拥有四项专利。金刚石可以掺杂硼（B）的p型，也可以掺杂氮（N）或磷（P）的n型。DIAMFAB精通硼和氮掺杂。Diamfab的目标是到2026年将金刚石晶圆尺寸拓展至4英寸。

拨款8100万欧元建设金刚石代工厂

2024年12月17日,欧盟委员会批准西班牙直接拨款 8100万欧元，支持 Diamond Foundry Europe（美国加利福尼亚州旧金山 Diamond Foundry Inc 的子公司）在埃斯特雷马杜拉特鲁希略建立新工厂，总投资额约为 6.75 亿欧元，用于生产半导体级合成钻石毛坯。Diamond Foundry 表示计划于 2025 年开始生产单晶金刚石芯片，服务于传统金刚石买家和半导体行业。

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中国也不逊色

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若钻石半导体得到广泛应用，那么稳定供应高品质的人造钻石将至关重要。目前，中国是人造钻石的重要产地之一，值得一提的是，中国在金刚石半导体领域也取得了不少突破，中国的研发和产业化进程正在加速推进。西安交大团队成功批量化2英寸异质外延单晶金刚石衬底，获国家级荣誉；北大东莞光电研究院联合团队开发出大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜制备法，成果发表于《自然》杂志。除了科研院所的研究进展之外，中国也有一些企业正在加速金刚石半导体的产业化。

碳方程，主要从事第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，其核心业务为金刚石半导体材料所需的MPCVD长晶设备的研发与生产。公司致力于完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及相关配套设备，旨在实现核心设备的自主化与产业化，以推动整个行业的快速发展。