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(ti)材料無(wu)疑將成為(wei)未來的王(wang)者，因為(wei)金剛石的硬度、聲速、熱導率、楊氏模量等物理特性(xing)在(zai)所有(you)材料中都首屈一(yi)指。

       令人(ren)意外的(de)(de)是，幾年(nian)前，SiC的(de)(de)廢料還被用來(lai)制造莫(mo)桑鉆(zhan)，憑借高性價比迅(xun)速贏得了市(shi)場的(de)(de)青(qing)睞(lai)。如今(jin)，真正的(de)(de)“鉆(zhan)石(shi)”——金(jin)剛(gang)石(shi)，正加速邁(mai)向(xiang)半(ban)(ban)導體領域，隨著全(quan)球各國的(de)(de)積(ji)極布(bu)局和技術突破，金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)(de)產(chan)業(ye)鏈正在(zai)日益建立起來(lai)，如下圖所(suo)示。這一(yi)傳(chuan)奇材(cai)料的(de)(de)半(ban)(ban)導體化之路已悄然鋪開(kai)，未來(lai)可期(qi)。

       終極功率半導體材料：金剛石

       眾所周知，在高溫(wen)和(he)(he)高熱的(de)(de)(de)條件(jian)下，硅器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)效率(lv)正日益達(da)到極限(xian)。因而探索出(chu)了SiC和(he)(he)GaN。雖然(ran)由碳化硅、氮化鎵和(he)(he)其他材料制成的(de)(de)(de)堅固而強大的(de)(de)(de)半(ban)導體(ti)廣(guang)泛用于(yu)處(chu)理高電壓和(he)(he)高電流的(de)(de)(de)電動汽車、軌道車和(he)(he) 5G 基(ji)站，但通信系(xi)統的(de)(de)(de)數(shu)據容量不斷增加(jia)，迫切需(xu)要性能更佳的(de)(de)(de)半(ban)導體(ti)。

       為金剛(gang)石(shi)因(yin)其(qi)優異的物理(li)特性(xing)而常被(bei)稱為“終極功率(lv)半導體(ti)(ti)材料(liao)”。其(qi)中包括(kuo)：1）帶隙大，抗(kang)介電擊穿能(neng)力強。2）遷移率(lv)（開關速度）高(gao)，功耗低(di)。3）在高(gao)溫、高(gao)輻射環境下(xia)也能(neng)穩(wen)定運行(xing)。金剛(gang)石(shi)特別適(shi)合用于功率(lv)半導體(ti)(ti)，因(yin)為作(zuo)為絕緣體(ti)(ti)，金剛(gang)石(shi)的介電擊穿強度是硅的33倍，遠高(gao)于SiC和GaN。帶隙是硅的5.5倍，帶隙是指(zhi)固體(ti)(ti)材料(liao)中不存在電子態的能(neng)量(liang)范(fan)圍。帶隙越大，發(fa)生介電擊穿的可能(neng)性(xing)就越小。金剛(gang)石(shi)功率(lv)半導體(ti)(ti)還(huan)可在大約 5 倍高(gao)溫的環境中工作(zuo)，理(li)論(lun)上可處理(li)大約 50,000 倍的電力。

       金剛石半導體的一(yi)個(ge)潛在(zai)應用領域是(shi)通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)衛星。通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)衛星通(tong)(tong)過無線電波與地面進行(xing)通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)，需(xu)要高(gao)頻(pin)率(lv)和高(gao)功(gong)率(lv)才能(neng)(neng)有效(xiao)運(yun)(yun)行(xing)。早期的通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)衛星使用真(zhen)空(kong)管(guan)。然而(er)，真(zhen)空(kong)管(guan)由(you)于體積大(da)、能(neng)(neng)量損失大(da)而(er)效(xiao)率(lv)低下。盡管(guan)人們(men)一(yi)直(zhi)期望用半導體取代(dai)真(zhen)空(kong)管(guan)，但外太空(kong)的惡劣環境可能(neng)(neng)會干擾真(zhen)空(kong)管(guan)的運(yun)(yun)行(xing)。金剛石(shi)半導體提供了(le)一(yi)種潛在(zai)的解決方案，因為它(ta)們(men)結(jie)構緊湊，能(neng)(neng)夠承受通(tong)(tong)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)衛星所(suo)需(xu)的頻(pin)率(lv)和輸出(chu)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)的信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號放大(da)。它(ta)們(men)還耐(nai)熱、耐(nai)宇(yu)宙射線，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)穩定運(yun)(yun)行(xing)。

       另外一個應用是核電領(ling)域(yu)，金剛石半導(dao)體對于制造能夠在核事(shi)故(gu)、退役工作和(he)基站應用中遇到的(de)高(gao)溫和(he)放射性條件（耐惡(e)劣環境(jing)）等(deng)(deng)惡(e)劣環境(jing)下運行的(de)模擬(ni)設備至關重要。再就是量子計(ji)算領(ling)域(yu)等(deng)(deng)等(deng)(deng)。

       作為終極(ji)功率(lv)半導體(ti)材料，金剛石的(de)生產也(ye)(ye)是極(ji)具挑戰(zhan)的(de)。金剛石的(de)硬度使其難以以電子設備所需的(de)精(jing)度進(jin)行研磨和加工。金剛石在半導體(ti)中長期使用時(shi)也(ye)(ye)會(hui)變(bian)質。嘗試(shi)用金剛石形成更大的(de)襯(chen)底是一項特別的(de)挑戰(zhan)，而且成本也(ye)(ye)阻礙了其商業化。

       盡(jin)管如(ru)此，業界還是(shi)有不(bu)少公(gong)司、大學(xue)和研(yan)究機(ji)構投身于(yu)金剛石(shi)半導體材料(liao)的(de)(de)研(yan)究，而且已經有不(bu)少公(gong)司取得了不(bu)錯的(de)(de)進展，為金剛石(shi)的(de)(de)工業化(hua)鋪(pu)平道路。

       日本走在前列

       在金(jin)剛石半(ban)導體材料的研究進展方面(mian)，日本(ben)無疑處于全球領先地位。從金(jin)剛石襯底的研發，到器件的設計，再到設備的制(zhi)造(zao)，日本(ben)已經均有所布局，產業鏈(lian)逐(zhu)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(liu)無(wu)鐵(tie)心馬達、光(guang)纖元件和醫療器械。特別是在(zai)合(he)成(cheng)鉆石和藍寶石的(de)培育(yu)技(ji)術方面，Orbray 取得(de)了世界(jie)上(shang)最先(xian)進的(de)成(cheng)果。

       Orbray開發了一種(zhong)創新的(de)階梯流(liu)動生(sheng)長(chang)技(ji)術，用于生(sheng)長(chang)符合工業應用需求的(de)2英寸（50毫米）直徑鉆(zhan)(zhan)石晶(jing)體(ti)。充分利用藍(lan)寶石基底技(ji)術，精確控制基藍(lan)寶石晶(jing)圓。傾斜的(de)Ir/藍(lan)寶石表面使(shi)得鉆(zhan)(zhan)石晶(jing)體(ti)沿水(shui)平(ping)方向生(sheng)長(chang)，從而緩解了生(sheng)長(chang)過程(cheng)中(zhong)的(de)應力(li)積累。現在，該公司正在向4英寸的(de)襯(chen)底晶(jing)圓目標奮進(jin)，計劃在 2029 年上(shang)市，旨在籌集(ji)最多100億日(ri)元(yuan)，加(jia)強其秋田(tian)工廠的(de)生(sheng)產。他們所生(sheng)產的(de)鉆(zhan)(zhan)石晶(jing)圓被(bei)命名為KENZAN Diamond。

       2024年6月，Orbray與Element Six宣布建立戰(zhan)略合(he)作，以提供世界上最(zui)高質量的(de)(de)晶(jing)圓級單晶(jing) (SC) 合(he)成金(jin)(jin)剛(gang)石。Element Six 是第(di)一(yi)(yi)家(jia)建立和(he)開發化(hua)學氣(qi)相沉積 (CVD) 平臺的(de)(de)公司，該(gai)平臺可實(shi)現(xian)大面積、均勻的(de)(de)多晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)石生(sheng)長，直徑可達 150 毫米，后來(lai)，它(ta)又(you)率(lv)先開發和(he)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)電子級 SC 金(jin)(jin)剛(gang)石，并(bing)于 21 世紀(ji)將其首(shou)批 SC 產(chan)(chan)(chan)品(pin)系列商業化(hua)。最(zui)近(jin)，E6 在(zai)俄勒(le)岡州格雷舍姆開設(she)了一(yi)(yi)家(jia)世界一(yi)(yi)流(liu)的(de)(de)CVD工廠，實(shi)現(xian)了高品(pin)質 SC 合(he)成金(jin)(jin)剛(gang)石產(chan)(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)可持(chi)續、規(gui)模化(hua)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)。

       佐賀大學開發出金剛石半導體電路

       2023年(nian)，日本佐賀大(da)學（Saga University）團隊成功開(kai)發出全球首(shou)個采用(yong)金(jin)剛石半(ban)導(dao)體的(de)(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)路(lu)。這(zhe)一(yi)突(tu)破是與日本宇宙航空(kong)研究(jiu)開(kai)發機構(gou) (JAXA) 合作(zuo)實(shi)現(xian)的(de)(de)(de)，重(zhong)點是用(yong)于太空(kong)通信的(de)(de)(de)高(gao)頻元件。JAXA 與佐賀大(da)學在(zai)這(zhe)些項目上的(de)(de)(de)合作(zuo)凸顯了金(jin)剛石半(ban)導(dao)體的(de)(de)(de)吸引力，不(bu)僅因為它(ta)們的(de)(de)(de)耐用(yong)性，還因為它(ta)們能夠使衛(wei)星和航天器系統(tong)實(shi)現(xian)更高(gao)效的(de)(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)管理(li)，這(zhe)是可靠性至關重(zhong)要的(de)(de)(de)太空(kong)探索任務中的(de)(de)(de)關鍵因素。

       用金剛石制成的P型垂直MOSFET

       2024年8月23日(ri)，日(ri)本早稻田大學報(bao)告(gao)了一(yi)種由(you)金剛(gang)石制(zhi)成(cheng)的(de)垂直MOSFET，其(qi)漏電(dian)(dian)流實現了超過1 A。他(ta)們在(zai)(zai)論文中(zhong)指出，p 型MOSFET是實現高(gao)(gao)速度運行和(he)小型化柵驅動電(dian)(dian)路所需互補反(fan)相器和(he)轉(zhuan)換器的(de)關鍵器件(jian)。盡管 SiC、GaN 和(he) Ga?O?等寬(kuan)帶隙半導體在(zai)(zai)n通(tong)道 MOSFET 中(zhong)表(biao)現出色，但它(ta)們在(zai)(zai)p型應用中(zhong)不理(li)想(xiang)。而金剛(gang)石因其(qi)高(gao)(gao)擊穿電(dian)(dian)場（10 MV/cm）、高(gao)(gao)熱導率（22 W/cm·K）、高(gao)(gao)空穴(xue)遷移率（2000 至(zhi) 3800 cm2/V·s），以(yi)及(ji)能夠在(zai)(zai)其(qi)表(biao)面誘(you)導二(er)維(wei)空穴(xue)氣(qi)（2DHG）等特性而成(cheng)為p通(tong)道功(gong)率器件(jian)的(de)理(li)想(xiang)材料。

       在Nobutaka Oi等人的研究中，在 VDS=?20 V條件(jian)(jian)下，最大漏電流(liu)(liu)(liu)達(da)(da)到1.5 A，并(bing)在 VDS = –10 V 時(shi)獲得(de)了高(gao)達(da)(da) 9.5 個數量級(ji)的開關比(bi)。對(dui)于柵(zha)寬(kuan)為(wei) 2 mm 的器件(jian)(jian)，其(qi)特定導(dao)通(tong)電阻(zu)和漏電流(liu)(liu)(liu)密(mi)度分別為(wei) 118 mΩ\cdotpmm和85 mA/mm。通(tong)過連接更多單(dan)元(yuan)（或器件(jian)(jian)）并(bing)降低(di)源電極電阻(zu)等寄生電阻(zu)，可以進一步提高(gao)最大漏電流(liu)(liu)(liu)。[Nobutaka Oi 等人，IEEE Electron Device Letters，2024 年(nian) 8 月 7 日在線發表]

       基于早稻田大學(xue)教(jiao)授Hiroshi Kawarada教(jiao)授的(de)開創性工(gong)作，初創公(gong)司Power Diamond Systems致力于實現這(zhe)些成果技術的(de)轉(zhuan)化(hua)。該公(gong)司于2024年(nian)12月開發(fa)出一(yi)種金剛石(shi)元件，能夠處理世界領(ling)先(xian)的(de) 6.8A電流，。該公(gong)司計劃在幾年(nian)內開始運送(song)樣品。

       由北海(hai)道大(da)學和(he)日本產(chan)業技(ji)術綜合研究所 (AIST) 與2022年3月共(gong)同(tong)創立的初創企(qi)業Ookuma Diamond Device，正在福(fu)島(dao)(dao)縣建造一家工(gong)廠，將(jiang)大(da)規(gui)模生(sheng)產(chan)鉆石(shi)半(ban)導體(ti)，主要商(shang)業集中在退役/耐受輻射裝(zhuang)置、衛(wei)星通(tong)信及雷達業務(wu)、基(ji)站(zhan)業務(wu)（超5G）。該工(gong)廠將(jiang)于 2026 財年開始(shi)運(yun)營，目標是將(jiang)半(ban)導體(ti)安裝(zhuang)在用于清除受災福(fu)島(dao)(dao)第一核電站(zhan)殘骸的設備(bei)中。這(zhe)些核廢料(liao)是2011年福(fu)島(dao)(dao)核事故中反應堆結(jie)構(gou)和(he)核燃料(liao)熔化產(chan)生(sheng)的高放射性殘留物(wu)，只有鉆石(shi)半(ban)導體(ti)等耐高輻射的設備(bei)才能處理它們。

        拋光設備公司

       人造(zao)金剛(gang)(gang)石(shi)在(zai)制(zhi)造(zao)和(he)拋光(guang)上(shang)尚面臨高成(cheng)本和(he)加工難(nan)度。隨(sui)著人造(zao)金剛(gang)(gang)石(shi)制(zhi)造(zao)和(he)拋光(guang)技術的進步，預計(ji)將有助于解(jie)決(jue)這些問(wen)題。

       生(sheng)產用于研究(jiu)設(she)施的(de)(de)精密設(she)備(bei)的(de)(de)JTEC公司擁有利用等離子(zi)拋光高(gao)硬度(du)材料表面的(de)(de)設(she)備(bei)，適用于單晶(jing)金剛石(shi)、SiC、GaN 和(he)其他硬度(du)材料。該公司已經成功高(gao)效(xiao)且無(wu)損地拋光了世界領先尺寸(cun)的(de)(de)單晶(jing)金剛石(shi)基板，并已接到用于金剛石(shi)材料加工的(de)(de)開發設(she)備(bei)的(de)(de)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(de)機械(xie)拋光相比，它(ta)效率更(geng)高(gao)，并且可(ke)獲得損傷(shang)和缺(que)陷更(geng)少的(de)表面。預(yu)計(ji)它(ta)將(jiang)被(bei)用于未來(lai)作為功率器(qi)件備受關注的(de)鉆石基板的(de)加工。

       金剛石吸引車企的關注

       一些大型(xing)公(gong)司也(ye)開始(shi)關注(zhu)金剛石(shi)半導(dao)體并積極投資(zi)。由豐田(tian)汽(qi)車與電(dian)裝合(he)資(zi)成立(li)的汽(qi)車半導(dao)體研(yan)究公(gong)司通Mirise Technologies，于2023年(nian)5月，與Orbray合(he)作開發電(dian)動汽(qi)車垂直金剛石(shi)功率器件。

       該項目(mu)為期三年，在此(ci)次研(yan)究(jiu)合作中(zhong)，Orbray 將負(fu)責開發 p 型導(dao)電金(jin)剛石(shi)襯(chen)底，而 MIRISE 將負(fu)責開發高(gao)壓(ya)操作器(qi)件結構，以證明垂直金(jin)剛石(shi)功率器(qi)件的可行性。項目(mu)結束時，兩家公司計劃討論下(xia)一(yi)階段的合作，例如進一(yi)步研(yan)發。

       美國的步伐加快

       美國近幾(ji)年(nian)來陸續誕生了一些(xie)金(jin)剛石半(ban)導(dao)體初(chu)創(chuang)公(gong)司，這些(xie)公(gong)司大(da)多利用多年(nian)的學術研(yan)發(fa)專業(ye)知識來推動半(ban)導(dao)體金(jin)剛石器(qi)件的商(shang)業(ye)化。

       Diamond Foundry開發出世界首個單晶鉆石晶圓

       2023年(nian)10月(yue)2日，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公(gong)司創造出(chu)了世界(jie)上首個(ge)單(dan)晶鉆(zhan)(zhan)石(shi)(shi)晶圓，直徑100毫米、重110克拉。該(gai)公(gong)司的創始團隊由麻省理工(gong)學(xue)院、斯坦福大學(xue)和普林斯頓大學(xue)的工(gong)程師組成。按(an)照(zhao)該(gai)公(gong)司的規(gui)劃(hua)，在2023年(nian)以后，他(ta)們(men)計劃(hua)在每個(ge)芯片后安裝一顆單(dan)晶鉆(zhan)(zhan)石(shi)(shi)用(yong)(yong)于(yu)散熱(re)，到(dao)2033年(nian)以后，推(tui)動(dong)鉆(zhan)(zhan)石(shi)(shi)材料在半(ban)導體行業的應用(yong)(yong)，如(ru)用(yong)(yong)于(yu)制造晶體管或其他(ta)半(ban)導體元件的基底材料。

       Diamond Quanta在摻雜上實現突破

       2024年6月(yue)6日，美(mei)國初創公司(si)Diamond Quanta宣布其(qi)專(zhuan)有的新型金剛石半(ban)導(dao)體制造和(he)摻雜技術(shu)取得了重大突破(po)。該(gai)公司(si)成立于(yu) 2024 年 1 月(yue)，總部位于(yu)加利福尼(ni)亞。該(gai)公司(si)還于(yu)去年9月(yue)被選中加入Plug and Play著名的半(ban)導(dao)體和(he)光子加速器(qi)計(ji)劃。

       雖然這家公(gong)司成立才(cai)1年(nian)但是Diamond Quanta首席(xi)執(zhi)行官兼創(chuang)始人Adam KhanAdam Khan卻(que)是鉆(zhan)石半導體技術的先驅。他在(zai)實(shi)驗室(shi)培(pei)育鉆(zhan)石技術領域工作了15 年(nian)。Diamond Quanta是Adam創(chuang)辦的第二(er)家鉆(zhan)石半導體初創(chuang)公(gong)司，第一家是 Akhan Semiconductor，專(zhuan)注于薄(bo)膜(mo)納(na)米晶體鉆(zhan)石，他在(zai)創(chuang)新實(shi)驗室(shi)生產的鉆(zhan)石薄(bo)膜(mo)以用(yong)(yong)(yong)于各種應用(yong)(yong)(yong)方面發揮了關鍵作用(yong)(yong)(yong)，例如使(shi)用(yong)(yong)(yong) Miraj Diamond Glass增強(qiang)智能手(shou)機屏幕和鏡頭(tou)，使(shi)用(yong)(yong)(yong)Miraj Diamond Optics提高飛機的生存能力。

       Diamond Quanta的(de)目(mu)標是克(ke)服(fu)與成功摻(chan)雜(za)金(jin)剛(gang)(gang)石相(xiang)關的(de)挑戰以及目(mu)前與傳統方法相(xiang)關的(de)限制缺陷(xian)和電荷傳輸問題。金(jin)剛(gang)(gang)石中的(de) N 型摻(chan)雜(za)會(hui)引(yin)起(qi)幾(ji)何變(bian)形，通過消(xiao)除退化(hua)(hua)電子態來降低金(jin)剛(gang)(gang)石的(de)體積能量。這(zhe)(zhe)些變(bian)形會(hui)顯著影(ying)響電子態，從而影(ying)響傳輸特(te)性。電場(chang)中的(de)載流子利用與空位或(huo)缺陷(xian)相(xiang)關的(de)局部陷(xian)阱態，這(zhe)(zhe)種機制稱(cheng)為陷(xian)阱輔助跳(tiao)躍(yue)或(huo)可(ke)變(bian)范圍跳(tiao)躍(yue)。由于強局部化(hua)(hua)和缺陷(xian)產(chan)生的(de)不(bu)規則勢場(chang)散射增加，載流子的(de)遷移率較低，與完美晶格相(xiang)比，載流子速度和遷移率降低。解決這(zhe)(zhe)些挑戰對(dui)于充分(fen)發揮(hui)金(jin)剛(gang)(gang)石基電子設(she)備的(de)潛力至關重要。

       該公司(si)的(de)(de)核心(xin)在于(yu)(yu)統一(yi)(yi)鉆石(shi)框架 (UDF)。UDF方(fang)法(fa)植(zhi)根于(yu)(yu)一(yi)(yi)種新穎的(de)(de)鉆石(shi)晶體空(kong)間(jian)和(he)(he)拓(tuo)撲(pu)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)第(di)一(yi)(yi)性原(yuan)理(li)(li)方(fang)法(fa)，與拓(tuo)撲(pu)物理(li)(li)學和(he)(he)量子(zi)實驗的(de)(de)最新進展相(xiang)一(yi)(yi)致。該方(fang)法(fa)提供(gong)了對鉆石(shi)電子(zi)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)全面(mian)理(li)(li)解，超(chao)越了傳統的(de)(de)能帶理(li)(li)論(lun)。利用行業標準的(de)(de)建(jian)模(mo)和(he)(he)機器(qi)學習技術，包括密(mi)度函數理(li)(li)論(lun) (DFT) 和(he)(he) Python/MATLAB，他們探索了基于(yu)(yu)鉆石(shi)的(de)(de)量子(zi)技術和(he)(he)先進電子(zi)應用的(de)(de)新可能性。

       Adam認為，基于(yu)鉆石的芯片最(zui)終可用(yong)于(yu)高性能GPU和邏(luo)輯應用(yong)。不過(guo)，目前的重點是功率半導體，以推動該技術的成熟。例(li)如，在電(dian)動汽(qi)車中，鉆石可以取代(dai)重型冷(leng)卻系統(tong)，減輕汽(qi)車重量并增加續(xu)航里程。

       Advent Diamond正在開發金剛石二極管

       Advent Diamond是亞利(li)桑那州立大學(xue)科技型初(chu)創(chuang)公(gong)司，也是唯一一家能(neng)夠使(shi)用 p 型、n 型和本征金(jin)剛(gang)石(shi)生產金(jin)剛(gang)石(shi)電(dian)子(zi)(zi)元件(jian)的(de)美(mei)國公(gong)司。該(gai)公(gong)司的(de)核心創(chuang)新之一是能(neng)夠在(zai)(zai)特(te)定基(ji)底上(shang)生長單晶磷(lin)摻雜(za)金(jin)剛(gang)石(shi)，磷(lin)摻雜(za)具有特(te)別(bie)重要的(de)意義，因為它能(neng)夠在(zai)(zai)金(jin)剛(gang)石(shi)中(zhong)形成 n 型半(ban)導體，而 n 型半(ban)導體是電(dian)子(zi)(zi)設備(bei)開發的(de)關鍵元素。此外，Advent Diamond 在(zai)(zai)大面(mian)積生長硼摻雜(za)金(jin)剛(gang)石(shi)層方面(mian)取得了(le)里程碑式的(de)進展，拓展了(le)金(jin)剛(gang)石(shi)基(ji)電(dian)子(zi)(zi)產品的(de)潛在(zai)(zai)應用。

       Advent Diamond已從美國(guo)國(guo)家科(ke)學基金會獲得了75 萬美元的(de)資助，用于(yu)(yu)(yu)將基礎電(dian)(dian)力(li)電(dian)(dian)子(zi)元件二極(ji)(ji)管推向(xiang)市(shi)場。該公司目前(qian)正在(zai)開發一系列二極(ji)(ji)管，電(dian)(dian)流密度(du) >1kA/cm2，可以同時滿(man)足傳統二極(ji)(ji)管無法滿(man)足的(de)高頻(pin)和高功(gong)率規格，用于(yu)(yu)(yu)雷達系統等射頻(pin)應用的(de)接收器保(bao)護電(dian)(dian)路。這(zhe)些二極(ji)(ji)管的(de)良好(hao)規格得益于(yu)(yu)(yu)金剛石的(de)極(ji)(ji)端材料特性。

       撥款350萬元用于金剛石光控半導體晶體管

       2024年(nian)1月份，伊利諾(nuo)伊大學被選中接受美國(guo)(guo)能源部(bu)高(gao)級研究計劃署 (ARPA-E) 的(de)(de) 350 萬美元資(zi)(zi)助(zhu)。這(zhe)筆資(zi)(zi)金是 ARPA-E 的(de)(de)ULTRAFAST 計劃的(de)(de)一部(bu)分，該(gai)計劃旨在通(tong)過以(yi)芯片(pian)為中心(xin)的(de)(de)創新來改善國(guo)(guo)內電(dian)網的(de)(de)控(kong)制和(he)保護。這(zhe)個項(xiang)目的(de)(de)研究重點是金剛(gang)石(shi)這(zhe)種新型(xing)半導體材料，開(kai)發光(guang)學觸發金剛(gang)石(shi)半導體開(kai)關器件。該(gai)項(xiang)目將開(kai)發和(he)優化鉆石(shi)光(guang)控(kong)結型(xing)場(chang)效應(ying)晶體管(guan) (DOG-FET) 技術。

       美國大學發現摻硼鉆石新特性

       2025年初，美國的(de)兩所大學凱斯西儲大學和伊利諾伊大學香檳(bin)分校的(de)研究人員(yuan)在添(tian)加了硼(peng)的(de)鉆石中發現(xian)了另一種有趣的(de)特性，即硼(peng)摻雜(za)鉆石。鉆石由透明(ming)(ming)的(de)碳元素(su)晶體組成(cheng)，可通過添(tian)加少(shao)量(liang)硼(peng)（位于(yu)元素(su)周期表中碳的(de)旁邊）來合成(cheng)。硼(peng)比碳少(shao)一個電子(zi)，因(yin)此可以接受電子(zi)。硼(peng)本質上(shang)會在材(cai)料(liao)中打開一個周期性的(de)電子(zi)“空穴”，從(cong)而(er)提(ti)高材(cai)料(liao)的(de)導電能(neng)力。摻硼(peng)的(de)鉆石晶格保(bao)持透明(ming)(ming)，并呈現(xian)藍色色調。這對(dui)于(yu)先(xian)進的(de)生物傳(chuan)感器、納米(mi)級光學設備以及改進太(tai)陽能(neng)電池和量(liang)子(zi)設備非常重要。

       他們的發現可能為新型生(sheng)物醫學和量子光學設(she)備鋪平道路——速度更快、效(xiao)率更高，并且(qie)能夠以傳統技術無法實現的方式(shi)處理信息(xi)。他們的研(yan)究結果(guo)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(yi)家(jia)位于法(fa)國(guo)格(ge)勒(le)諾布(bu)爾的高(gao)科技(ji)初創(chuang)(chuang)公司(si)，成(cheng)立于2019年(nian)(nian)，設(she)于法(fa)國(guo)國(guo)家(jia)科研(yan)(yan)中心尼爾研(yan)(yan)究(jiu)所。以(yi)格(ge)勒(le)諾布(bu)爾法(fa)國(guo)國(guo)家(jia)科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)院 (CNRS) 30 年(nian)(nian)的研(yan)(yan)發工作(zuo)為基礎。這家(jia)初創(chuang)(chuang)公司(si)專注于人造金(jin)剛石的外延(yan)和(he)摻(chan)雜，在薄(bo)金(jin)剛石層生長和(he)電子元件設(she)計方(fang)面擁有(you)四項專利。金(jin)剛石可(ke)以(yi)摻(chan)雜硼（B）的p型，也(ye)可(ke)以(yi)摻(chan)雜氮（N）或磷（P）的n型。DIAMFAB精通(tong)硼和(he)氮摻(chan)雜。

 ;      Diamfab的(de)目標是到(dao)2026年將(jiang)金剛(gang)(gang)石晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)尺寸(cun)(cun)拓展(zhan)至4英(ying)寸(cun)(cun)。相(xiang)較于(yu)傳統(tong)硅基半導(dao)體，金剛(gang)(gang)石器件所需晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)面積更小，成本更低。Diamfab首席(xi)執行官Gauthier Chicot表示：“金剛(gang)(gang)石器件有望在4英(ying)寸(cun)(cun)晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)上與(yu)SiC展(zhan)開競(jing)爭(zheng)。”它(ta)已從一(yi)個投(tou)資者財(cai)團(tuan)獲得(de)總計(ji)870萬歐元的(de)首輪融資，這(zhe)筆融資將(jiang)使該(gai)公司能夠建立一(yi)條(tiao)試驗生產線，這(zhe)是邁(mai)向(xiang)商(shang)業化(hua)的(de)關(guan)鍵一(yi)步。DIAMFAB采用兩種技術(shu)來合成金剛(gang)(gang)石晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)：HPHT（高(gao)(gao)壓高(gao)(gao)溫）或MPCVD（微(wei)波等離(li)子體化(hua)學氣相(xiang)沉積）。

       自 2019 年成立以來，Diamfab 已經建(jian)立了一個由國際合(he)作伙伴和(he)客(ke)戶組成的生態系統，這(zhe)些合(he)作伙伴和(he)客(ke)戶正在幫助開發這(zhe)項技術，其(qi)中(zhong)包括 Soitec、Murata、意法半導體、CEA-Leti 和(he)施耐德(de)電氣(qi)。

       撥款8100萬歐元建設金剛石代工廠

       2024年12月(yue)17日,歐(ou)盟委員會批準西(xi)班牙(ya)直接撥款 8100萬歐(ou)元，支持 Diamond Foundry Europe（美國加利福(fu)尼亞州舊金山 Diamond Foundry Inc 的子公司）在埃斯特雷(lei)馬杜拉特魯希(xi)略建(jian)立新(xin)工廠，總投(tou)資(zi)額約為 6.75 億歐(ou)元，用于(yu)生(sheng)產半導(dao)體級合成(cheng)鉆(zhan)石毛坯。Diamond Foundry 表示計劃于(yu) 2025 年開始生(sheng)產單晶金剛(gang)石芯片，服(fu)務于(yu)傳(chuan)統金剛(gang)石買家和半導(dao)體行業。

       襯底材料供應商：Element SiX

       Element Six 成立于(yu) 1946 年，現已(yi)發展成為人造(zao)(zao)(zao)金剛(gang)石和(he)超(chao)材料制(zhi)造(zao)(zao)(zao)領(ling)域的(de)(de)全球領(ling)導者(zhe)。Element Six 提供廣(guang)泛的(de)(de)高(gao)品質人造(zao)(zao)(zao)金剛(gang)石解決(jue)方案(an)，支(zhi)持半導體和(he)電子制(zhi)造(zao)(zao)(zao)價值鏈(lian)的(de)(de)每(mei)個階段，從(cong)“前端(duan)”晶圓制(zhi)造(zao)(zao)(zao)、“后(hou)端(duan)”組裝(zhuang)、封裝(zhuang)和(he)測試，到最終的(de)(de)電子設備生產。

       具體(ti)而言，CVD金(jin)剛石熱管理解(jie)決方案可(ke)提(ti)高任務關鍵型高功率密度 RF 放大(da)器的(de)可(ke)靠性(xing)(xing)，并支持(chi)對加(jia)工(gong)后的(de)晶(jing)圓和(he)半導(dao)體(ti)芯(xin)片進行測試(shi)和(he)檢(jian)查(cha)。我(wo)(wo)們的(de)高性(xing)(xing)能(neng)金(jin)剛石砂粒、粉(fen)末和(he)拉絲(si)模具是切割(ge)和(he)拋光半導(dao)體(ti)晶(jing)圓以及智能(neng)電(dian)(dian)子產品中使用的(de)硬質光學(xue)材(cai)料(liao)不可(ke)或缺的(de)部分。設備(bei)組裝和(he)集成需要對印刷(shua)電(dian)(dian)路板和(he)各種金(jin)屬、玻(bo)璃和(he)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)進行精密加(jia)工(gong) - 我(wo)(wo)們的(de)單(dan)晶(jing)和(he)多晶(jing)金(jin)剛石系列精密加(jia)工(gong)工(gong)具可(ke)提(ti)供世界領先的(de)消費(fei)電(dian)(dian)子產品工(gong)業制造商所期望的(de)質量和(he)可(ke)靠性(xing)(xing)。

       中國也不遜色

       如果未來(lai)鉆(zhan)石半導體得(de)到廣泛應(ying)用(yong)，那(nei)么穩定供(gong)應(ying)高品質(zhi)的(de)(de)人造鉆(zhan)石將至(zhi)關(guan)重要(yao)。目前，中(zhong)(zhong)國是人造鉆(zhan)石的(de)(de)重要(yao)產地之一(yi)，據(ju)證券時報·數據(ju)寶統計，上市(shi)公司方面，人造金剛石主要(yao)企業有力(li)量鉆(zhan)石、惠豐鉆(zhan)石、黃(huang)河旋風、國機精工(gong)、中(zhong)(zhong)兵紅箭、四方達、沃爾德、光莆股份、恒盛能(neng)源等(deng)等(deng)。值得(de)一(yi)提的(de)(de)是，中(zhong)(zhong)國在金剛石半導體領域也取得(de)了不少突破，中(zhong)(zhong)國的(de)(de)研(yan)發和產業化(hua)進程(cheng)正在加速推進。

       2024年1月，根據西(xi)安交(jiao)大(da)官(guan)網信息，西(xi)安交(jiao)大(da)王宏興教授(shou)研究團隊采用微波等(deng)離子體化學(xue)氣相沉積（MPCVD）技術(shu)，歷經10年潛心研發(fa)，獨立自主開發(fa)了2英寸異質外延單晶(jing)金剛(gang)石(shi)自支撐襯(chen)底，并成功實(shi)現批(pi)量(liang)化（如下圖所(suo)示(shi)），達到(dao)世界領先水平。通過對成膜(mo)均勻性、溫場、流場及工藝(yi)參數的有效調控，實(shi)現了襯(chen)底表面臺階流（step-flow）生長模式(shi)，提高(gao)了異質外延單晶(jing)金剛(gang)石(shi)成品率與晶(jing)體質量(liang)。

       該項(xiang)目榮獲2024年(nian)(nian)度中(zhong)國第三代半(ban)(ban)導(dao)(dao)體技術(shu)十大進(jin)展。10年(nian)(nian)前，我國在此方面(mian)的(de)研(yan)發(fa)幾乎是空白，2013年(nian)(nian)作為西安交(jiao)大引進(jin)的(de)國家(jia)級(ji)特聘專家(jia)人才王宏興組建西安交(jiao)大寬禁帶半(ban)(ban)導(dao)(dao)體材料與器(qi)件研(yan)究中(zhong)心，帶領(ling)團隊科(ke)研(yan)人員開始攻關，歷經10年(nian)(nian)潛心研(yan)發(fa)，目前已(yi)形成具(ju)有自主知(zhi)識產(chan)權(quan)的(de)金(jin)剛石半(ban)(ban)導(dao)(dao)體外延設(she)備研(yan)發(fa)、單晶(jing)/多晶(jing)襯底生(sheng)長、電(dian)子器(qi)件研(yan)制等系(xi)列技術(shu)，已(yi)獲授權(quan)48項(xiang)發(fa)明專利(li)。

       2024年12月19日，北(bei)京大學東莞光電研(yan)究院發(fa)布(bu)最新研(yan)究成果(guo)，該(gai)(gai)院與南方(fang)科技大學、香港大學組成的(de)聯合(he)研(yan)究團隊(dui)，在金(jin)剛石薄膜(mo)材(cai)料制備和應用方(fang)面(mian)取得重要進(jin)展(zhan)，成功開發(fa)出能夠批量生產大尺(chi)寸(cun)超光滑柔性金(jin)剛石薄膜(mo)的(de)制備方(fang)法。這(zhe)一發(fa)現標(biao)志著在金(jin)剛石薄膜(mo)技術領(ling)(ling)域的(de)一大飛躍，為(wei)未來金(jin)剛石薄膜(mo)在電子、光學等多個領(ling)(ling)域的(de)應用提供了新的(de)可(ke)能性。該(gai)(gai)研(yan)究成果(guo)于12月18日在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上發(fa)表。

       除了科研(yan)院所的研(yan)究進展(zhan)之外，中國也有一些企業(ye)正在加速金剛石半導體的產(chan)業(ye)化(hua)。

       2025年(nian)1月(yue)6日，河(he)(he)南四方達控股子公(gong)司-河(he)(he)南天璇半(ban)導體(ti)科技有限責任(ren)公(gong)司與深(shen)圳市匯芯(xin)通信技術(shu)有限公(gong)司簽(qian)署了戰(zhan)略(lve)合作協議(yi)，雙方將(jiang)聯合設立“CVD diamond在(zai)(zai)未(wei)來通信中(zhong)高頻(pin)半(ban)導體(ti)器件應(ying)用的聯合實驗室”，并圍(wei)繞(rao)CVD金剛(gang)石在(zai)(zai)通信中(zhong)高頻(pin)器件應(ying)用領域開展多方面合作。河(he)(he)南天璇是(shi)四方達功(gong)能性(xing)金剛(gang)石業(ye)務戰(zhan)略(lve)的重要落地平(ping)臺，一直專注于采用自主研發的MPCVD設備以及CVD金剛(gang)石合成工藝(yi)，生產超純(chun)大尺寸功(gong)能性(xing)金剛(gang)石。

 ;      化(hua)(hua)合積電（廈門）半導體科(ke)(ke)技有限公(gong)司(si)，是(shi)一家專注(zhu)于寬禁帶半導體襯底材料和(he)器件的(de)研發、生(sheng)產和(he)銷售(shou)的(de)高科(ke)(ke)技企業，公(gong)司(si)主(zhu)要產品包(bao)括(kuo)：晶(jing)圓級金剛(gang)(gang)石(shi)襯底、金剛(gang)(gang)石(shi)熱沉(chen)片(pian)、GaN on Diamond 、Diamond on GaN、硅基氮(dan)化(hua)(hua)鋁(lv)、藍寶石(shi)基氮(dan)化(hua)(hua)鋁(lv)、金剛(gang)(gang)石(shi)基氮(dan)化(hua)(hua)鋁(lv)等(deng)。公(gong)司(si)金剛(gang)(gang)石(shi)和(he)氮(dan)化(hua)(hua)鋁(lv)核心產品已實現(xian)規(gui)模(mo)化(hua)(hua)生(sheng)產。

       力量鉆石是國內超硬材料主流供應(ying)商(shang)，是國內人造(zao)(zao)金剛(gang)石行業主要代表企業，目(mu)前已有金剛(gang)石產(chan)(chan)品應(ying)用(yong)于(yu)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)產(chan)(chan)業鏈。2025年1月15日，力量鉆石半(ban)(ban)導(dao)體(ti)高功率散(san)熱片(pian)金剛(gang)石功能材料研發(fa)制造(zao)(zao)項(xiang)目(mu)，歷經一年多籌(chou)備和建設(she)，于(yu)今日正式(shi)建成投產(chan)(chan)。該項(xiang)目(mu)建設(she)高標準金剛(gang)石半(ban)(ban)導(dao)體(ti)研發(fa)中(zhong)心，購置安裝國際先進設(she)備，重點圍繞“散(san)熱+導(dao)熱”展(zhan)開攻關，面對未(wei)來市(shi)(shi)場，向“大尺寸、增(zeng)效益、降成本”等方向發(fa)展(zhan)，不斷(duan)擴大市(shi)(shi)場與應(ying)用(yong)。

       結語

       隨著金剛石半(ban)導(dao)體(ti)(ti)材料(liao)的前景逐(zhu)漸顯(xian)現(xian)，各國(guo)不僅(jin)在(zai)(zai)(zai)技術研發上加(jia)大投入，同時(shi)也在(zai)(zai)(zai)全(quan)球(qiu)市場中展開了激烈競爭(zheng)。美(mei)國(guo)、日本(ben)、歐洲、中國(guo)等國(guo)家和地區的企業也在(zai)(zai)(zai)積極推(tui)動金剛石半(ban)導(dao)體(ti)(ti)的研發，力圖在(zai)(zai)(zai)這一領域占據領先地位。可(ke)以預見，金剛石已經不再是(shi)實驗室(shi)討論的話題，它現(xian)在(zai)(zai)(zai)正在(zai)(zai)(zai)成為一種工業現(xian)實產物。