全球竞逐金刚石半导体

（原标题：全球竞逐金刚石半导体）

如果您希望可以时常见面，欢迎标星收藏哦~

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。

令人意外的是，几年前，SiC的废料还被用来制造莫桑钻，凭借高性价比迅速赢得了市场的青睐。如今，真正的“钻石”——金刚石，正加速迈向半导体领域，随着全球各国的积极布局和技术突破，金刚石的产业链正在日益建立起来，如下图所示。这一传奇材料的半导体化之路已悄然铺开，未来可期。

金刚石半导体产业链（图源：Yole）

终极功率半导体材料：金刚石

众所周知，在高温和高热的条件下，硅器件的效率正日益达到极限。因而探索出了SiC和GaN。虽然由碳化硅、氮化镓和其他材料制成的坚固而强大的半导体广泛用于处理高电压和高电流的电动汽车、轨道车和 5G 基站，但通信系统的数据容量不断增加，迫切需要性能更佳的半导体。

为金刚石因其优异的物理特性而常被称为“终极功率半导体材料”。其中包括：1）带隙大，抗介电击穿能力强。2）迁移率（开关速度）高，功耗低。3）在高温、高辐射环境下也能稳定运行。金刚石特别适合用于功率半导体，因为作为绝缘体，金刚石的介电击穿强度是硅的33倍，远高于SiC和GaN。带隙是硅的5.5倍，带隙是指固体材料中不存在电子态的能量范围。带隙越大，发生介电击穿的可能性就越小。金刚石功率半导体还可在大约 5 倍高温的环境中工作，理论上可处理大约 50,000 倍的电力。

以硅为1的相对值进行比较

（来源：orbray公司）

金刚石在在高功率、高频率和高温环境下，具有比硅和碳化硅更为优越的性能。

（来源：ookuma dimond device公司）

金刚石半导体的一个潜在应用领域是通信卫星。通信卫星通过无线电波与地面进行通信，需要高频率和高功率才能有效运行。早期的通信卫星使用真空管。然而，真空管由于体积大、能量损失大而效率低下。尽管人们一直期望用半导体取代真空管，但外太空的恶劣环境可能会干扰真空管的运行。金刚石半导体提供了一种潜在的解决方案，因为它们结构紧凑，能够承受通信卫星所需的频率和输出，从而实现高效的信号放大。它们还耐热、耐宇宙射线，从而实现稳定运行。

另外一个应用是核电领域，金刚石半导体对于制造能够在核事故、退役工作和基站应用中遇到的高温和放射性条件（耐恶劣环境）等恶劣环境下运行的模拟设备至关重要。再就是量子计算领域等等。

作为终极功率半导体材料，金刚石的生产也是极具挑战的。金刚石的硬度使其难以以电子设备所需的精度进行研磨和加工。金刚石在半导体中长期使用时也会变质。尝试用金刚石形成更大的衬底是一项特别的挑战，而且成本也阻碍了其商业化。

尽管如此，业界还是有不少公司、大学和研究机构投身于金刚石半导体材料的研究，而且已经有不少公司取得了不错的进展，为金刚石的工业化铺平道路。

日本走在前列

在金刚石半导体材料的研究进展方面，日本无疑处于全球领先地位。从金刚石衬底的研发，到器件的设计，再到设备的制造，日本已经均有所布局，产业链逐步完善。

Orbray公司量产2英寸金刚石衬底晶圆

早在2021年，总部位于东京的精密部件制造商 Orbray采用异质外延法已开发出 2 英寸金刚石晶圆的量产技术。Orbray成立于1939年，以制造电表用宝石轴承起家，核心技术是宝石加工技术（切割、研磨和抛光）目前，该公司生产和销售精密宝石零件、直流无铁心马达、光纤元件和医疗器械。特别是在合成钻石和蓝宝石的培育技术方面，Orbray 取得了世界上最先进的成果。

2英寸晶圆（来源：Orbray）

Orbray开发了一种创新的阶梯流动生长技术，用于生长符合工业应用需求的2英寸（50毫米）直径钻石晶体。充分利用蓝宝石基底技术，精确控制基蓝宝石晶圆。倾斜的Ir/蓝宝石表面使得钻石晶体沿水平方向生长，从而缓解了生长过程中的应力积累。现在，该公司正在向4英寸的衬底晶圆目标奋进，计划在 2029 年上市，旨在筹集最多100亿日元，加强其秋田工厂的生产。他们所生产的钻石晶圆被命名为KENZAN Diamond。

Orbray公司的阶梯流生长技术

（来源：Orbray）

2024年6月，Orbray与Element Six宣布建立战略合作，以提供世界上最高质量的晶圆级单晶 (SC) 合成金刚石。Element Six 是第一家建立和开发化学气相沉积 (CVD) 平台的公司，该平台可实现大面积、均匀的多晶金刚石生长，直径可达 150 毫米，后来，它又率先开发和生产电子级 SC 金刚石，并于 21 世纪将其首批 SC 产品系列商业化。最近，E6 在俄勒冈州格雷舍姆开设了一家世界一流的CVD工厂，实现了高品质 SC 合成金刚石产品的可持续、规模化生产。

佐贺大学开发出金刚石半导体电路

2023年，日本佐贺大学（Saga University）团队成功开发出全球首个采用金刚石半导体的电源电路。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 合作实现的，重点是用于太空通信的高频元件。JAXA 与佐贺大学在这些项目上的合作凸显了金刚石半导体的吸引力，不仅因为它们的耐用性，还因为它们能够使卫星和航天器系统实现更高效的电源管理，这是可靠性至关重要的太空探索任务中的关键因素。

采用金刚石半导体的电源电路

（Saga University）

用金刚石制成的P型垂直MOSFET

2024年8月23日，日本早稻田大学报告了一种由金刚石制成的垂直MOSFET，其漏电流实现了超过1 A。他们在论文中指出，p 型MOSFET是实现高速度运行和小型化栅驱动电路所需互补反相器和转换器的关键器件。尽管 SiC、GaN 和 Ga?O?等宽带隙半导体在n通道 MOSFET 中表现出色，但它们在p型应用中不理想。而金刚石因其高击穿电场（10 MV/cm）、高热导率（22 W/cm·K）、高空穴迁移率（2000 至 3800 cm2/V·s），以及能够在其表面诱导二维空穴气（2DHG）等特性而成为p通道功率器件的理想材料。

在Nobutaka Oi等人的研究中，在 VDS=?20 V条件下，最大漏电流达到1.5 A，并在 VDS = –10 V 时获得了高达 9.5 个数量级的开关比。对于栅宽为 2 mm 的器件，其特定导通电阻和漏电流密度分别为 118 mΩ\cdotpmm和85 mA/mm。通过连接更多单元（或器件）并降低源电极电阻等寄生电阻，可以进一步提高最大漏电流。Nobutaka Oi 等人，IEEE Electron Device Letters，2024 年 8 月 7 日在线发表

图（a）栅极宽度为5毫米器件的光学显微镜图像（S：源极，G：栅极）（b）虚线区域的横截面图像。

（来源：IEEE）

图(a)显示了在单片基板上通过并联连接两个器件（器件B，栅宽10 mm）的ID-VDS特性曲线，在VDS=?20 V和VGS=?20 V 时，最大漏电流达到1.5 A；图 (b) 展示了在VDS=?20 V时单个或两个器件（包括器件 A和器件 B）的漏电流特性。（来源：IEEE）

基于早稻田大学教授Hiroshi Kawarada教授的开创性工作，初创公司Power Diamond Systems致力于实现这些成果技术的转化。该公司于2024年12月开发出一种金刚石元件，能够处理世界领先的 6.8A电流，。该公司计划在几年内开始运送样品。

由北海道大学和日本产业技术综合研究所 (AIST) 与2022年3月共同创立的初创企业Ookuma Diamond Device，正在福岛县建造一家工厂，将大规模生产钻石半导体，主要商业集中在退役/耐受辐射装置、卫星通信及雷达业务、基站业务（超5G）。该工厂将于 2026 财年开始运营，目标是将半导体安装在用于清除受灾福岛第一核电站残骸的设备中。这些核废料是2011年福岛核事故中反应堆结构和核燃料熔化产生的高放射性残留物，只有钻石半导体等耐高辐射的设备才能处理它们。

抛光设备公司

人造金刚石在制造和抛光上尚面临高成本和加工难度。随着人造金刚石制造和抛光技术的进步，预计将有助于解决这些问题。

生产用于研究设施的精密设备的JTEC公司拥有利用等离子抛光高硬度材料表面的设备，适用于单晶金刚石、SiC、GaN 和其他硬度材料。该公司已经成功高效且无损地抛光了世界领先尺寸的单晶金刚石基板，并已接到用于金刚石材料加工的开发设备的订单。

PAP（等离子辅助抛光）工艺是一种独特的抛光工艺，利用等离子对工件/密封件的表面进行改性，专门用于抛光钻石等硬质材料。与使用传统钻石磨料等的机械抛光相比，它效率更高，并且可获得损伤和缺陷更少的表面。预计它将被用于未来作为功率器件备受关注的钻石基板的加工。

JTEC的PA1100是用于金刚石抛光的设备

（来源：JTEC）

金刚石吸引车企的关注

一些大型公司也开始关注金刚石半导体并积极投资。由丰田汽车与电装合资成立的汽车半导体研究公司通Mirise Technologies，于2023年5月，与Orbray合作开发电动汽车垂直金刚石功率器件。

该项目为期三年，在此次研究合作中，Orbray 将负责开发 p 型导电金刚石衬底，而 MIRISE 将负责开发高压操作器件结构，以证明垂直金刚石功率器件的可行性。项目结束时，两家公司计划讨论下一阶段的合作，例如进一步研发。

美国的步伐加快

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。

Diamond Foundry开发出世界首个单晶钻石晶圆

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。该公司的创始团队由麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学的工程师组成。按照该公司的规划，在2023年以后，他们计划在每个芯片后安装一颗单晶钻石用于散热，到2033年以后，推动钻石材料在半导体行业的应用，如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。

（来源：DF官网）

Diamond Quanta在掺杂上实现突破

2024年6月6日，美国初创公司Diamond Quanta宣布其专有的新型金刚石半导体制造和掺杂技术取得了重大突破。该公司成立于 2024 年 1 月，总部位于加利福尼亚。该公司还于去年9月被选中加入Plug and Play著名的半导体和光子加速器计划。

虽然这家公司成立才1年但是Diamond Quanta首席执行官兼创始人Adam KhanAdam Khan却是钻石半导体技术的先驱。他在实验室培育钻石技术领域工作了15 年。Diamond Quanta是Adam创办的第二家钻石半导体初创公司，第一家是 Akhan Semiconductor，专注于薄膜纳米晶体钻石，他在创新实验室生产的钻石薄膜以用于各种应用方面发挥了关键作用，例如使用 Miraj Diamond Glass增强智能手机屏幕和镜头，使用Miraj Diamond Optics提高飞机的生存能力。

Diamond Quanta的目标是克服与成功掺杂金刚石相关的挑战以及目前与传统方法相关的限制缺陷和电荷传输问题。金刚石中的 N 型掺杂会引起几何变形，通过消除退化电子态来降低金刚石的体积能量。这些变形会显著影响电子态，从而影响传输特性。电场中的载流子利用与空位或缺陷相关的局部陷阱态，这种机制称为陷阱辅助跳跃或可变范围跳跃。由于强局部化和缺陷产生的不规则势场散射增加，载流子的迁移率较低，与完美晶格相比，载流子速度和迁移率降低。解决这些挑战对于充分发挥金刚石基电子设备的潜力至关重要。

N型掺杂的影响

（图源：Diamond Quanta）

该公司的核心在于统一钻石框架 (UDF)。UDF方法植根于一种新颖的钻石晶体空间和拓扑结构的第一性原理方法，与拓扑物理学和量子实验的最新进展相一致。该方法提供了对钻石电子结构的全面理解，超越了传统的能带理论。利用行业标准的建模和机器学习技术，包括密度函数理论 (DFT) 和 Python/MATLAB，他们探索了基于钻石的量子技术和先进电子应用的新可能性。

统一钻石框架 (UDF)

（图源：Diamond Quanta）

Adam认为，基于钻石的芯片最终可用于高性能GPU和逻辑应用。不过，目前的重点是功率半导体，以推动该技术的成熟。例如，在电动汽车中，钻石可以取代重型冷却系统，减轻汽车重量并增加续航里程。

Advent Diamond正在开发金刚石二极管

Advent Diamond是亚利桑那州立大学科技型初创公司，也是唯一一家能够使用 p 型、n 型和本征金刚石生产金刚石电子元件的美国公司。该公司的核心创新之一是能够在特定基底上生长单晶磷掺杂金刚石，磷掺杂具有特别重要的意义，因为它能够在金刚石中形成 n 型半导体，而 n 型半导体是电子设备开发的关键元素。此外，Advent Diamond 在大面积生长硼掺杂金刚石层方面取得了里程碑式的进展，拓展了金刚石基电子产品的潜在应用。

Advent Diamond已从美国国家科学基金会获得了75 万美元的资助，用于将基础电力电子元件二极管推向市场。该公司目前正在开发一系列二极管，电流密度 >1kA/cm2，可以同时满足传统二极管无法满足的高频和高功率规格，用于雷达系统等射频应用的接收器保护电路。这些二极管的良好规格得益于金刚石的极端材料特性。

Advent Diamond金刚石二极管特性

（来源：Advent Diamond）

拨款350万元用于金刚石光控半导体晶体管

2024年1月份，伊利诺伊大学被选中接受美国能源部高级研究计划署 (ARPA-E) 的 350 万美元资助。这笔资金是 ARPA-E 的ULTRAFAST 计划的一部分，该计划旨在通过以芯片为中心的创新来改善国内电网的控制和保护。这个项目的研究重点是金刚石这种新型半导体材料，开发光学触发金刚石半导体开关器件。该项目将开发和优化钻石光控结型场效应晶体管 (DOG-FET) 技术。

美国大学发现掺硼钻石新特性

2025年初，美国的两所大学凯斯西储大学和伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在添加了硼的钻石中发现了另一种有趣的特性，即硼掺杂钻石。钻石由透明的碳元素晶体组成，可通过添加少量硼（位于元素周期表中碳的旁边）来合成。硼比碳少一个电子，因此可以接受电子。硼本质上会在材料中打开一个周期性的电子“空穴”，从而提高材料的导电能力。掺硼的钻石晶格保持透明，并呈现蓝色色调。这对于先进的生物传感器、纳米级光学设备以及改进太阳能电池和量子设备非常重要。

他们的发现可能为新型生物医学和量子光学设备铺平道路——速度更快、效率更高，并且能够以传统技术无法实现的方式处理信息。他们的研究结果发表在《Nature》上。

欧洲注重金刚石制造

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。相较于传统硅基半导体，金刚石器件所需晶圆面积更小，成本更低。Diamfab首席执行官Gauthier Chicot表示：“金刚石器件有望在4英寸晶圆上与SiC展开竞争。”它已从一个投资者财团获得总计870万欧元的首轮融资，这笔融资将使该公司能够建立一条试验生产线，这是迈向商业化的关键一步。DIAMFAB采用两种技术来合成金刚石晶圆：HPHT（高压高温）或MPCVD（微波等离子体化学气相沉积）。

自 2019 年成立以来，Diamfab 已经建立了一个由国际合作伙伴和客户组成的生态系统，这些合作伙伴和客户正在帮助开发这项技术，其中包括 Soitec、Murata、意法半导体、CEA-Leti 和施耐德电气。

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。

衬底材料供应商：Element SiX

Element Six 成立于 1946 年，现已发展成为人造金刚石和超材料制造领域的全球领导者。Element Six 提供广泛的高品质人造金刚石解决方案，支持半导体和电子制造价值链的每个阶段，从“前端”晶圆制造、“后端”组装、封装和测试，到最终的电子设备生产。

具体而言，CVD金刚石热管理解决方案可提高任务关键型高功率密度 RF 放大器的可靠性，并支持对加工后的晶圆和半导体芯片进行测试和检查。我们的高性能金刚石砂粒、粉末和拉丝模具是切割和抛光半导体晶圆以及智能电子产品中使用的硬质光学材料不可或缺的部分。设备组装和集成需要对印刷电路板和各种金属、玻璃和陶瓷材料进行精密加工 - 我们的单晶和多晶金刚石系列精密加工工具可提供世界领先的消费电子产品工业制造商所期望的质量和可靠性。

中国也不逊色

如果未来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，据证券时报·数据宝统计，上市公司方面，人造金刚石主要企业有力量钻石、惠丰钻石、黄河旋风、国机精工、中兵红箭、四方达、沃尔德、光莆股份、恒盛能源等等。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。

2024年1月，根据西安交大官网信息，西安交大王宏兴教授研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，历经10年潜心研发，独立自主开发了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底，并成功实现批量化（如下图所示），达到世界领先水平。通过对成膜均匀性、温场、流场及工艺参数的有效调控，实现了衬底表面台阶流（step-flow）生长模式，提高了异质外延单晶金刚石成品率与晶体质量。

图：2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底照片

（西安交大官网）

XRD测试结果（a）（004）面摇摆曲线；（b）（311）面摇摆曲线；（c）（311）面四重对称；（d）极图

该项目荣获2024年度中国第三代半导体技术十大进展。10年前，我国在此方面的研发几乎是空白，2013年作为西安交大引进的国家级特聘专家人才王宏兴组建西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心，带领团队科研人员开始攻关，历经10年潜心研发，目前已形成具有自主知识产权的金刚石半导体外延设备研发、单晶/多晶衬底生长、电子器件研制等系列技术，已获授权48项发明专利。

2024年12月19日，北京大学东莞光电研究院发布最新研究成果，该院与南方科技大学、香港大学组成的联合研究团队，在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得重要进展，成功开发出能够批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。这一发现标志着在金刚石薄膜技术领域的一大飞跃，为未来金刚石薄膜在电子、光学等多个领域的应用提供了新的可能性。该研究成果于12月18日在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表。

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。

2025年1月6日，河南四方达控股子公司-河南天璇半导体科技有限责任公司与深圳市汇芯通信技术有限公司签署了战略合作协议，双方将联合设立“CVD diamond在未来通信中高频半导体器件应用的联合实验室”，并围绕CVD金刚石在通信中高频器件应用领域开展多方面合作。河南天璇是四方达功能性金刚石业务战略的重要落地平台，一直专注于采用自主研发的MPCVD设备以及CVD金刚石合成工艺，生产超纯大尺寸功能性金刚石。

化合积电（厦门）半导体科技有限公司，是一家专注于宽禁带半导体衬底材料和器件的研发、生产和销售的高科技企业，公司主要产品包括：晶圆级金刚石衬底、金刚石热沉片、GaN on Diamond 、Diamond on GaN、硅基氮化铝、蓝宝石基氮化铝、金刚石基氮化铝等。公司金刚石和氮化铝核心产品已实现规模化生产。

力量钻石是国内超硬材料主流供应商，是国内人造金刚石行业主要代表企业，目前已有金刚石产品应用于半导体产业链。2025年1月15日，力量钻石半导体高功率散热片金刚石功能材料研发制造项目，历经一年多筹备和建设，于今日正式建成投产。该项目建设高标准金刚石半导体研发中心，购置安装国际先进设备，重点围绕“散热+导热”展开攻关，面对未来市场，向“大尺寸、增效益、降成本”等方向发展，不断扩大市场与应用。

力量钻石的未来规划

（来源：公司官网）

结语

随着金刚石半导体材料的前景逐渐显现，各国不仅在技术研发上加大投入，同时也在全球市场中展开了激烈竞争。美国、日本、欧洲、中国等国家和地区的企业也在积极推动金刚石半导体的研发，力图在这一领域占据领先地位。可以预见，金刚石已经不再是实验室讨论的话题，它现在正在成为一种工业现实产物。

半导体精品公众号推荐

专注半导体领域更多原创内容

关注全球半导体产业动向与趋势

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4027期内容，欢迎关注。

『半导体第一垂直媒体』

实时 专业 原创 深度

公众号ID：icbank

喜欢我们的内容就点“在看”分享给小伙伴哦