在追求極致性能與效率的時代，一場由金剛石引領的芯片革命正悄然興起。

當今時代，半導體行業正處于一個轉型的關鍵時期，以硅為主導的半導體領域面臨著高功率密度、高頻、高溫、高輻射等條件瓶頸；第三代半導體順勢而起，以GaN和SiC為代表的新材料的發展推動著功率器件不斷向大功率、小型化、集成化和多功能方向前進，但散熱、能效等關鍵特性依舊是業界矢志不渝的追求方向。

在追求極致性能與效率的時代，一場由金剛石引領的芯片革命正悄然興起。

金剛石，指的就是還未經打磨的鉆石原石。那么，作為一種闖入了大家視線中的新半導體材料，“鉆石”芯片究竟有何魅力？無限可能背后，進展與挑戰并存。

“鉆石”芯片，魅力何在？

被譽為“自然界最堅硬物質”的金剛石，不僅硬度驚人，還擁有卓越的導熱性能、極高的電子遷移率，擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優異性能參數，以及其他優異的物理特性。

具體來看，金剛石半導體具有超寬禁帶(5.45eV)、高擊穿場強(10MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導率(2000W/m·k)等材料特性，以及優異的器件品質因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸。

此外，金剛石擁有優異的物理特性，在光學領域具有良好透光性和折射率，適用于光電器件的研發；電學方面，其絕緣性能和介電常數使其在復雜電路中發揮穩定作用；機械性能方面，高強度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。

這些特性使得金剛石在芯片制造領域展現出巨大潛力，常被用于高功率密度、高頻率電子器件的散熱。在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發展起到重要作用。金剛石半導體被認為是極具前景的新型半導體材料，被業界譽為“終極半導體材料”。

通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統半導體的熱管理需求，而且這些設備的能源效率更高，并且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環境。

例如，在電動汽車中，基于金剛石的功率電子器件可以實現更高效的功率轉換、延長電池壽命以及縮短充電時間；在電信領域，尤其是在5G及更高級別網絡的部署中，對高頻和高功率器件的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統，包括射頻開關、放大器和發射器；消費電子領域，單晶金剛石基板可以推動更小、更快、更高效的智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備組件的開發，從而帶來新的產品創新并提高消費電子市場的整體性能。

據市場調研機構Virtuemarket數據指出，2023年全球金剛石半導體基材市場價值為1.51億美元，預計到2030年底市場規模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預測復合年增長率為12.3%。其中，在中國、日本和韓國等國家電子和半導體行業不斷增長的需求的推動下，亞太地區預計將主導金剛石半導體襯底市場，到2023年預計將占全球收入份額的40%以上。

特性優勢和廣闊前景驅動下，金剛石在半導體產業鏈上的多個環節已經展現出巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體行業的各個關鍵領域，推動技術創新與產業升級。

熱沉與散熱：金剛石憑卓越熱導與絕緣性能成為高功率散熱首選，金剛石單晶熱沉片的熱導率是銅、銀的5倍。在半導體激光器中，金剛石熱沉片顯著提升散熱，減低熱阻，增強輸出功率，延長壽命。

這一特性使得金剛石在新能源汽車、工業控制等領域的高功率IGBT模塊中也具有廣泛的應用前景，有助于實現更高效的散熱和更高的功率密度。

目前高功率半導體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結在銅熱沉上。但在熱導率要求1000~2000W/m·k之間時，金剛石是當前首選甚至唯一可選的熱沉材料。金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬復合。

半導體封裝基板：基板是裸芯片封裝中熱傳導的關鍵環節。Al2O3陶瓷是目前產量最多、應用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數 (7.2×10-6/℃) 和介電常數 (9.7) 相對Si單晶而言偏高, 熱導率 (15-35W/ (m·K) ) 仍然不夠高, 導致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規模集成電路中使用。

因此, 隨著微電子技術的發展，高密度組裝、小型化特性愈發明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高。開發高熱導率、性能更為完善的基片材料成為大勢所趨。隨之高導熱陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、金剛石等逐步進入市場之中。

其中，金剛石憑借高熱導率、低熱膨脹系數和良好的穩定性，逐漸成為新一代封裝基板材料的關注焦點。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體復合，制備出的金剛石/金屬基復合材料已初步展現出其在電子封裝領域的巨大潛力。

雖然單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本較高，但其優勝于其他陶瓷基板材料數十倍甚至上百倍的熱導率，也讓許多大廠紛紛投入研究。特別是在算力需求激增的當下，金剛石封裝基板為高性能芯片的散熱問題提供了創新解決方案，助力AI、數據中心等行業的快速發展。

微納加工：第三代半導體材料如碳化硅、氮化鎵加工困難，金剛石微粉及其產品因超硬特性成加工利器。

例如在碳化硅晶體的切割、研磨和拋光等環節，金剛石工具發揮了關鍵作用。此外，隨著5G、物聯網等技術的普及，消費電子行業對精密加工的需求日益增加，金剛石刀具和微粉制品為金屬、陶瓷和脆性材料提供了高質量的精密表面處理方案，推動了行業的技術進步和產業升級。

此外，金剛石在光學窗口、BDD電極、量子科技等諸多領域頗具優勢，被視為未來半導體材料的有力競爭者。

“鉆石”芯片產業化，進展不斷

目前，全球都在加緊金剛石在半導體領域的研制工作。

Element Six贏得UWBGS項目

近日，Element Six（元素六）公司正在主導美國一個關鍵項目-開發使用單晶(SC)金剛石襯底的超寬帶高功率半導體。該項目是由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主導的超寬帶隙半導體（UWBGS）計劃的一部分，旨在開發下一代面向國防和商業應用的先進半導體技術，突破半導體的性能和效率極限。

雖然制備的大尺寸金剛石晶圓可應用于熱沉和光學領域，但在電子級半導體領域的商業化應用存在很多難題。比如大尺寸單晶金剛石的合成、剝離及研磨拋光的技術問題還有待進一步解決。

為此，Element Six與多個半導體行業的關鍵參與者建立了戰略合作伙伴關系，包括法國的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美國的斯坦福大學和普林斯頓大學。這些合作將晶體位錯工程、射頻氮化鎵技術以及材料表面和體積處理的專業知識集成在一起，對于推動超寬帶隙半導體技術的發展至關重要。

據悉，Element Six是鉆石公司De Beers的子公司，總部位于英國倫敦，是單晶金剛石和多晶金剛石合成方面的領軍企業，其在化學氣相沉積（CVD）技術方面擁有豐富的經驗。

Element Six對UWBGS計劃的貢獻將利用該公司在大面積CVD聚晶金剛石和高質量單晶(SC)金剛石合成方面的專業知識，實現4英寸設備級SC金剛石基板。

SC金剛石襯底是實現先進電子產品的關鍵，包括大功率射頻開關、雷達和通信放大器、高壓功率開關、極端環境的高溫電子產品、深紫外LED和激光器，支撐著數十億美元的系統市場。

Element Six能夠生產出高質量且具有高度有序晶體結構的單晶金剛石晶圓。目前，SC金剛石襯底已用于CERN大型強子對撞機的監測系統，并幫助發現了希格斯玻色子粒子。Element Six與高功率半導體領導者 ABB 合作，實現了首款高壓塊狀金剛石肖特基二極管。此外，Element Six最近在俄勒岡州波特蘭市完成了先進 CVD 設施的建設和調試，該設施利用其核心技術，由可再生能源提供動力。

在多晶金剛石方面，Element Six的多晶金剛石晶片直徑已超4英寸，被廣泛應用于EUV 光刻中的光學窗口以及高功率密度Si和GaN半導體器件的熱管理應用。

此外，在高壓器件方面，Element Six與瑞士企業ABB合作，實現了首款高壓塊狀金剛石肖特基二極管，展示了基于金剛石的半導體在改變功率電子領域中的潛力。

同時，Element Six正在與其合作伙伴擴展在金剛石技術方面的核心能力。通過與日本Orbray進行知識產權和設備的交叉許可。Orbray已建立了直徑為55毫米（約2英寸）的單晶金剛石基底的制造技術，該基底比傳統基底更大。這將結合Element Six的CVD（化學氣相沉積）技術和Orbray的專業知識，該技術可以沉積直徑達150毫米（約6英寸）的鉆石。其目標是建立具有優異耐壓和散熱性能的下一代功率半導體和通信半導體用大直徑單晶金剛石基板的制造技術，擴大單晶金剛石晶圓的生產規模，并在超寬帶隙半導體市場中占據更大的市場份額。

另外，Element Six近日在俄勒岡州波特蘭市完成了一個先進的CVD設施的建設和調試，該設施由可再生能源驅動，能夠大規模生產高質量的單晶金剛石基板。

需要強調的是，金剛石分為單晶和多晶兩種。多晶金剛石一般用于熱沉、紅外和微波窗口、耐磨涂層等方面，但它不能真正發揮金剛石的優異電學性能，這是由于其內部存在晶界，會導致載流子遷移率及電荷收集效率大幅度降低，使得其所制備的電子器件性能受到嚴重抑制；單晶金剛石則不會有這種顧慮，一般用于探測器和功率器件等關鍵領域。

多年來，采用高壓高溫技術（HPHT）制造的合成金剛石廣泛應用于研磨應用，充分發揮了金剛石極高硬度和極強耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學氣相沉積（CVD）的新金剛石生成方法已投入商業化應用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。

華為布局金剛石

2023年11月，華為與哈爾濱工業大學聯合申請的一項專利《一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法》，這項專利涉及一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法。

具體來看，就是通過Cu/SiO2混合鍵合技術將硅基與金剛石襯底材料進行三維集成。華為希望通過兩者的結合，充分利用硅基半導體和金剛石的不同優勢。

在專利書中提及，“隨著集成密度不斷升高以及特征尺寸不斷縮小，電子芯片的熱管理面臨極大的挑戰。芯片內部熱積累難以向封裝表層散熱片傳遞，導致內部節溫突升，嚴重威脅芯片性能、穩定性和使用壽命?！痹搶＠玫木褪墙饎偸母呱嵝?，想要為三維集成的硅基器件提供散熱通道以提高器件的可靠性。

今年3月，廈門大學于大全教授團隊與華為團隊合作開發了基于反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉接板封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。

Diamond Foundry，培育全球首個單晶金剛石晶圓

一家由麻省理工、斯坦福大學、普林斯頓大學的工程師創立的企業——Diamond Foundry，在金剛石芯片方面也取得了進展。

據了解，這家企業希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制人工智能、云計算芯片、電動汽車電力電子器件和無線通信芯片的熱挑戰。

2023年10月，Diamond Foundry培育出了世界上第一個單晶金剛石晶片，具體的數據上，這個金剛石晶片直徑100毫米、重量100克拉。Diamond Foundry目前已經可以在反應爐中培育出4英寸長寬、小于3毫米厚度的鉆石晶圓，而這些晶圓可以和硅芯片一同使用，快速傳導并釋放芯片所產生的熱量。

Diamond Foundry開發了一套技術，為每個芯片植入鉆石。以原子的方式直接連接金剛石，將半導體芯片粘合到金剛石晶圓基板上，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

熱量情況對比（圖源：Diamond Foundry）

這一方案的優勢在于，可以使得芯片的運行速度至少是額定速度的兩倍。Diamond Foundry工程師表示，在英偉達最強大的AI芯片之一上使用這種方法，在實驗條件下甚至能夠將其額定的速度增加到三倍。

據Diamond Foundry早些時候透露，希望能夠在2023年后引入單金剛石晶片，并在每個芯片后面放置一顆金剛石；預計在2033年前后，將金剛石引入半導體。

Advent Diamond：金剛石摻磷技術

美國的Advent Diamond也是這樣一家致力于將金剛石半導體材料量產的初創公司，今年4月，Advent Diamond披露了在這一方面的進展。

據了解，Advent Diamond 公司的核心創新之一是在首選基底上生長單晶摻磷金剛石的能力，它是美國唯一一家擁有該能力的公司。摻磷技術的意義尤其重大，因為它能在金剛石中制造出n型半導體，而這正是電子設備開發的關鍵要素。此外，Advent Diamond 公司在大面積生長摻硼金剛石層方面也取得了里程碑式的進展，拓展了基于金剛石的電子產品的潛在應用領域。

Advent Diamond的專業技術不僅限于材料生長，還包括全面的元件設計、制造和表征能力。這包括蝕刻、光刻和金屬化等先進的潔凈室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學測量等一整套表征技術。Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長技術，開發出了雜質濃度極低的本征金剛石層，確保了半導體級金剛石材料的最高質量和性能標準。

據了解，目前Advent Diamond已有1-2英寸的鑲嵌金剛石晶圓，并正在努力將晶片尺寸擴大到4英寸。然而，缺陷密度仍然是一個關鍵問題，大多數晶片的缺陷約為108個/cm2或更高，必須將缺陷降低到103缺陷/cm2，才能實現預期性能。

法國公司Diamfab：2025年實現4英寸金剛石晶圓

此外，位于法國的半導體金剛石初創公司Diamfab也在為了金剛石芯片的技術而不斷努力。

Diamfab是法國國家科學研究中心（CNRS）實驗室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產品，也是30年來合成金剛石生長研發的成果。Diamfab項目最初在格勒諾布爾阿爾卑斯SATT Linksium進行孵化，該公司于2019年3月成立，由兩位納米電子學博士和半導體金剛石領域公認的研究人員Gauthier Chicot和Khaled Driche創辦。

Diamfab表示，為了滿足汽車、可再生能源和量子產業的半導體和功率元件市場需求，公司在合成金剛石的外延和摻雜領域開發出了突破性技術，并擁有四項專利，其專長在于薄金剛石層的生長和摻雜，以及金剛石電子元件的設計。

今年3月，該公司宣布獲得870萬歐元的首輪融資。這輪融資將使 Diamfab 能夠建立一條試驗生產線，對其技術進行工業化前處理，加速其發展，從而滿足對金剛石半導體日益增長的需求。

Diamfab已經申請了全金剛石電容器的專利，并在與該領域的領先企業合作。Diamfab首席執行官Gauthier Chicot說道：“在其他參數中，我們已經實現了我們的目標：超過1000A/cm2的高電流密度和大于7.7MV/cm 的擊穿電場。這些是未來設備性能的關鍵參數，并且已經優于SiC等現有材料為電力電子設備提供的參數。此外，我們有一個明確的路線圖，到2025年實現4英寸晶圓，作為大規模生產的關鍵推動因素?！?/p>

日本全面發力金剛石芯片產業

根據已經宣布的研究成果來看，日本對于金剛石芯片的產業化探索更加全面。

從2022年開始，日本生成了可用于量子計算項目純度的金剛石晶圓；2023年年初，日本佐賀大學教授和日本精密零部件制造商Orbray，合作開發了一個金剛石制成的功率半導體，這個功率半導體可以以1cm2 875兆瓦的電力運行，在金剛石半導體中，輸出功率值為全球最高；同年8月，日本的千葉大學科研團隊提出了一種新的激光技術可以沿著最佳晶體平面“毫不費力地切割”鉆石。

千葉大學科研團隊切割方式

基于激光的切割工藝，可以干凈地切割鉆石而不破壞鉆石。研究人員表示，新技術通過將短激光脈沖聚焦到材料內狹窄的錐形體積上，防止激光切割過程中不良裂紋的傳播。

千葉大學表示，這項新提出的技術可能是將鉆石轉變為“適合未來更高效技術的半導體材料”的關鍵一步。Hidai教授表示，用激光切割鉆石“能夠以低成本生產高質量的晶圓”，并且對于制造鉆石半導體器件是必不可少的。

美國公司Akhan

Akhan公司專門從事實驗室制造合成電子級金剛石材料，早在2021年8月，Akhan就宣布開發出首款將CMOS硅與金剛石基板結合在一起的300毫米晶圓，取得了階段性里程碑。

2013年左右，Akhan又獲得了美國能源部阿貢國家實驗室開發的突破性低溫金剛石沉積技術的獨家金剛石半導體應用許可權。這項技術可以在低至400攝氏度的溫度下在各種晶片基底材料上沉積納米金剛石。來自阿貢的低溫金剛石技術與Akhan的Miraj Diamond工藝相結合，打破了半導體行業中金剛石薄膜的使用僅限于p型摻雜的障礙。

后續，Akhan又宣布了其Miraj Diamond平臺，它開發了一種申請專利的新工藝，其中在硅上創建n型金剛石材料，具有以前未證實的特性。

在半導體行業觀察此前文章《金剛石芯片，商用在即》中提到，Akhan的創始人兼首席執行官Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，專注于半導體領域，目的是利用金剛石的優異特性為電力電子和量子光子設備提供先進的解決方案。

今年5月，Diamond Quanta宣布，其擁有的“統一金剛石框架”有利于真正的取代摻雜。這項創新技術將新元素無縫地融入鉆石的結構中，賦予鉆石新的特性，同時又不破壞其晶體完整性。

因此，金剛石已轉變為能夠支持負（n型）和正（p型）電荷載流子的高性能半導體。這種遷移率水平表明金剛石晶格非常干凈、有序，并且由于成功實施了減輕載流子傳輸缺陷影響的共摻雜策略，散射中心得到了有效鈍化。此外，摻雜過程通過修正位錯來細化現有的金剛石結構，從而提高材料的導電性。這些進步不僅保留而且增強了金剛石結構，避免了常見的缺陷，例如明顯的晶格畸變或引入通常會降低遷移率的陷阱態。

“啟動Diamond Quanta并開發這種先進的摻雜工藝是必要的。電子、汽車、航空航天、能源等行業一直在尋找一種半導體技術，能夠應對其技術擴張不斷變化的需求所帶來的日益增長的壓力?！盇dam Khan說道?！拔覀兊募夹g不僅僅為尋求提高半導體效率的行業提供替代材料；我們正在推出一種全新材料，它將重新定義性能、耐用性和效率的標準，它將在無縫地為現代時代日益沉重的負載提供動力方面發揮不可或缺的作用?！?/p>

韓國團隊：降低金剛石薄膜成本

今年4月，又來自韓國基礎科學研究所的材料科學團隊在《自然》雜志刊文，宣布成功在標準大氣壓和1025°C下實現鉆石合成，該制備方法有望為金剛石薄膜的生產開創一條成本更低的道路。

該研究團隊負責人Rodney Ruoff表示，幾年前注意到合成金剛石不一定需要極端條件，將液態金屬鎵暴露在甲烷氣體中可生成金剛石的同素異形體石墨，這啟發了Ruoff對含鎵液金從含碳氣體中“脫碳”進而生成金剛石路線的研究。一次巧合中，Ruoff團隊發現，當反應環境引入硅單質后，出現了微小的金剛石晶體。根據這一現象，實驗團隊改進了反應裝置，將含有液態鎵、鐵、鎳和硅的混合物暴露在甲烷氫氣混合氣氛中，并加熱到1025°C，成功在不使用高壓和晶種的條件下生成了金剛石。目前Ruoff團隊已成功制備由數千個金剛石晶體組成的微型金剛石薄膜。

如果未來這一常壓合成技術能成功推廣至更大規模，那將開辟一條更經濟、更簡便的金剛石薄膜制備道路，有望為量子計算機和功率半導體發展提供強大助力。

不止上述這幾家企業在推動“鉆石”芯片的產業化。還有不少行業公司都在投身于此。

從種種動向來看，目前業界對金剛石半導體的關注程度越高，優勢資源不斷匯集，也加速了研發和產業化速度。這意味著“鉆石”晶圓時代的開始。

總而言之，金剛石半導體具有優于其他半導體材料的出色特性，如高熱導率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學透過性、化學穩定性與抗輻射性等。目前業界正在向金剛石進一步邁進，并逐步進入金剛石多功能發展的轉型時期。

未來，隨著大尺寸、高質量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發，有望使大規模集成電路和高速集成電路的發展進入一個新時代。

寫在最后

早在五六十年前，科學界就曾掀起研究金剛石半導體的熱潮，但時至今日，也未能大規模用上金剛石半導體所制造的器件。有工程師為此感嘆，金剛石或許將永遠處在半導體實用化的邊緣。

誠然，金剛石在半導體領域具有顯著優勢，但要實現金剛石芯片的大規模生產和應用，還面臨著諸多挑戰和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術工藝不成熟以及應用范圍有限等問題。

盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導體鏈中展現活力與應用潛力。我們相信，在各方的共同推動下，具備各種優異特性的金剛石材料在未來將會得到進一步發展，幫助半導體材料領域邁出至關重要的一步。

當然，新材料最終作用并非將以硅為代表的傳統材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補，在其擅長的領域充分發揮作用。