金刚石半导体之争

近年来，在半导体行业中，金刚石逐渐成为了关注热点。

为了实现绿色低碳的目标，过去几年中，半导体行业正在不断追求更高效、更强大的半导体器件。传统硅材料虽然被广泛使用，但在效率方面正日益逼近其极限，尤其是在高温和高压条件下。氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等半导体材料的出现与发展，让行业突破硅的限制，开发出更高效、更可持续的技术，如今， 这些材料在可再生能源系统、电动汽车和其他减少碳排放的技术中发挥着关键作用。

然而，探索并不止于此。长期以来，金刚石因其审美价值而受到重视。如今，在氮化镓和碳化硅之后，金刚石作为一种新型半导体材料闯入了大家的视线，并引发了研究人员和行业专家的关注。

一、“终极半导体材料”前景广阔

金刚石是集优异的电学、光学、力学、热学和化学等特性于一身的超宽禁带半导体，被誉为“终极半导体材料”“终极室温量子材料”，作为具有独特物理化学特性的新型材料，未来应用领域广阔。

金刚石半导体具有超宽禁带（5.45eV）、高击穿场强 （10MV/cm） 、高载流子饱和漂移速度、高热导率 （22 W/cmK） 等材料特性，远远高于第三代半导体材料 GaN 和 SiC，以及优异的器件品质因子 （Johnson、Keyes、Baliga） ，采用金刚石衬底可研制高温、高频、大功率、抗辐照电子器件，克服器件的“自热效应”和“雪崩击穿”等技术瓶颈，在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。

另外，由于金刚石具有很大的激子束缚能 （80meV） ，这使其在室温下可实现高强度的自由激子发射 （发光波长约为 235nm） ，在制备大功率深紫外发光二极管方面具有较大潜力，其在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也能发挥重要作用。

使用金刚石电子器件，不仅可以减轻传统半导体的热管理需求，而且这些设备的能源效率更高，可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。

例如，在电动汽车中， 基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间 ；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能，支持下一代通信系统，包括射频开关、放大器和发射器；消费电子领域，单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发，从而带来新的产品创新，并提高消费电子市场的整体性能。

据市场调研机构Virtuemarket数据指出，2023年全球金刚石半导体基材的市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底，市场规模将达到3.42亿美元。2024~2030年的预测复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下， 亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场 ，到2023年预计将占全球收入份额的40%以上。

在其特性优势和广阔前景的驱动下，金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极及量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。

不过，目前金刚石半导体材料在制造方面仍然存在一些突出问题。

二、中美日角逐金刚石半导体

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。金刚石在长期使用的过程中也会变质。尝试用金刚石制造更大的基板是一项特别的挑战，成本阻碍了其商业化。

但经过过去几年的长足进步， 金刚石半导体预计将在明年至2030年间进入商业化阶段。 日本厂商在该研发领域进展较快。

日本经济产业省提供了“自立与回归支持企业选址补助金”，以支持在特定地区 （如福岛县避难区） 建设新工厂等。这一补贴为金刚石半导体工厂的建设提供了资金支持。

总部位于东京的精密元件制造商Orbray已开发出大规模生产2英寸金刚石晶圆的技术，他们在蓝宝石衬底上制成2英寸的单晶圆，突破了之前1英寸的极限。该公司预计很快将开发出4英寸晶圆。

以佐贺大学理工学部教授加须诚 （半导体工学） 为首的研究小组，在世界上首次成功开发出使用金刚石的半导体电源电路。证明了迄今为止被认为困难的高速开关和长时间运行是可能的。如果该电源电路能够投入实际使用，有望应用于下一代通信标准“6G”、量子计算机等最新技术。

东京的一家初创公司 Power Diamond Systems 开发出了一种金刚石元件，能够处理世界领先的 6.8 安培电流。该公司计划在几年内开始运送样品。

北海道另一家初创公司大熊金刚石设备株式会社 （Ookuma Diamond Device） 在Pre-A轮融资中，筹集了包括债务融资在内的约40亿日元，正在福岛县建造一家工厂，将大规模生产钻石半导体，目标是在2026年3月开始运营。金刚石半导体可以承受高温和高辐射，因此有望用于东京电力公司福岛第一核电站的退役工作。据该公司称，这是世界上第一家大规模生产工厂。

除了日本， 美国也积极投入在金刚石半导体的研发和商业化。

去年11月，美国能源部宣布向多个项目提供资助，用于开发下一代半导体技术，其中包括金刚石半导体。例如，伊利诺伊大学获得了数百万美元的资助，用于开发光触发金刚石半导体开关设备和打造高功率金刚石光电设备等项目。

美国在金刚石半导体的制备技术方面取得了显著进展。伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发出了一种具有最高击穿电压和最低漏电流的金刚石半导体器件，凸显了金刚石半导体在电网及其他高压应用领域的潜力。

戴比尔斯集团旗下，以开发化学气相沉积 （CVD） 金刚石技术和器件闻名的合成金刚石材料公司Element Six （元素六） 宣布，公司将领导一个新的美国国防部高级研究计划局 （DARPA） 项目：UWBGS （超宽禁带半导体） ——元素六及其合作伙伴将开发4英寸单晶金刚石材料，比目前常规可用的材料大10倍以上，以加速关键的电子技术。

此外，美国国防部高级研究计划局 （DARPA） 已委托雷神 （Raytheon） 公司开发基于人造金刚石和氮化铝 （AlN） 的超宽带隙半导体，以确保美国的军事装备生产。根据DARPA的合同要求，雷神公司的先进技术团队将分阶段推进这一项目。

在第一阶段，团队将专注于开发基于金刚石和氮化铝的半导体薄膜，为后续的应用打下坚实基础。第二阶段则将致力于研发和改进金刚石和氮化铝技术，以支持更大直径的晶圆生产，特别是针对传感器应用的需求。这两个阶段的工作必须在三年内完成。

我国在这一领域也不甘落后。西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心实现了2英寸金刚石的产业化。在国内率先实现了2英寸单晶金刚石的制备技术，填补了国内空白，目前指标已经优于国外最好水平，生产的单晶金刚石材料已经广泛应用于我国5g通讯，为高频、 大功率探测企业提供了核心材料与技术支撑。近年来，西安交大研究团队采用微波等离子体化学气相沉积 （MPCVD） 技术，还成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化。

今年10月，河南科之诚第三代半导体碳基芯片有限公司宣布其金刚石晶圆产线正式投产，并发布了首款产品——3.5GHz金刚石基声表面波高频滤波器，标志着这一采用全新技术路线终于从实验室走到了生产线。

三、意在避开中国在第三代半导体领域的原料管制

先进的功率芯片和射频放大器依赖于氮化镓 （GaN） 等宽带隙半导体材料，但是中国控制着大部分的镓的供应。去年七月份，商务部和海关总署发布公告，决定对镓、锗相关物项实施出口管制，自2023年8月1日起正式实施。中国通过出口许可制，可以厘清这些关键金属出口的最终用户和用途，以规避危害国家安全和利益的风险。

从产量来看，中国产量占比全球镓产量最高。德国和哈萨克斯坦分别于2016年和2013年停止了镓生产。 （2021年德国宣布将在年底前重启初级镓生产） ， 匈牙利和乌克兰分别于2015年和2019年停止镓生产。

镓金属通常被归类为“小金属”，在自然界中通常不会被单独发现，而是作为精炼厂的副产品以小浓度生产，这些精炼厂专注于锌或氧化铝等其他更主流的原材料。其他国家如果需要重启镓金属的生产，需要构建巨大的产业链，成本巨大，得不偿失。

凭借其3.4 eV带隙，GaN已经成为高功率和高频半导体的领先材料。但是人造金刚石有可能在高频性能、高电子迁移率、极端热管理、更高功率处理和耐用性至关重要的应用中超越GaN的能力 （其带隙约为 5.5 eV） 。因此，金刚石的产业化受到了美国日本等国家的关注。然而，人造金刚石是一种新兴的半导体材料，其大规模生产仍然存在挑战。

美国军方依靠氮化镓的特性来有效传输开发中的最先进雷达的功率。氮化镓还被用于雷神公司正在制造的爱国者导弹防御系统的替代品。只有实现金刚石半导体的突破，美国和日本才有希望避开中国在第三代半导体领域的材料优势。

本文来自： 半导体产业纵横 ，作者：鹏程