国外金刚石半导体产业走多远了？

中国粉体网讯  当今时代，半导体行业正处于一个转型的关键时期，以硅为主导的半导体领域面临着高功率密度、高频、高温、高辐射等条件瓶颈；第三代半导体顺势而起，以GaN和SiC为代表的新材料的发展推动着功率器件不断向大功率、小型化、集成化和多功能方向前进，但散热、能效等关键特性依旧是业界矢志不渝的追求方向。

金刚石作为一种超宽禁带半导体材料，其产业化的进程是否已经临近？事实上，在新一代半导体材料领域，各国也都在纷纷发力。 

Element Six赢得UWBGS项目

在人造金刚石先进材料的设计、开发和生产的全球领导者-Element Six（元素六），正主导美国一个关键项目-开发使用单晶（SC）金刚石衬底的超宽带高功率半导体。该项目是由美国国防高级研究计划局（DARPA）主导的超宽带隙半导体（UWBGS）计划的一部分，旨在开发下一代面向国防和商业应用的先进半导体技术，突破半导体的性能和效率极限。

图源：eeNews

为此，Element Six与多个半导体行业的关键参与者建立了战略合作伙伴关系，包括法国的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美国的斯坦福大学和普林斯顿大学。这些合作将晶体位错工程、射频氮化镓技术以及材料表面和体积处理的专业知识集成在一起，对于推动超宽带隙半导体技术的发展至关重要。

Diamond Foundry，培育全球首个单晶金刚石晶圆

一家由麻省理工、斯坦福大学、普林斯顿大学的工程师创立的企业-Diamond Foundry，在金刚石芯片方面也取得了进展。据了解，这家企业希望使用单晶金刚石晶圆解决，限制人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子器件和无线通信芯片的热挑战。

2023年10月，Diamond Foundry培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片，该金刚石晶片直径100毫米、重量100克拉。Diamond Foundry目前已经可以在反应炉中培育出4英寸长宽、小于3毫米厚度的钻石晶圆，而这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。

Diamond Foundry开发了一套技术，为每个芯片植入钻石。以原子的方式直接连接金刚石，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。

热量情况对比 图源：Diamond Foundry

日本全面发力金刚石芯片产业

对于金刚石半导体寄予厚望的还有日本。

《日本经济新闻》网站称，日本初创企业OOKUMA公司计划将被称为“终极半导体”的金刚石半导体推向实用化，最早将在2026年度投产。OOKUMA公司发现，金刚石半导体器件在450摄氏度的高温和辐射强度极高的恶劣环境下也能正常工作，公司生产的金刚石半导体器件将首先用于福岛第一核电站的核废料处理。为力争应用于卫星通信，该公司与三菱电机等启动了联合研究，与日本厂商共同推进纯电动汽车器件的开发。

Orbray株式会社也在积极推进金刚石材质的晶圆业务。“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长金刚石晶圆的生产方法，如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。目标是未来生产出4英寸、6英寸的晶圆。此外，除了半导体应用方向外，“Orbray”还在利用其它生长方法研发用于量子计算机的超高纯度晶圆，并以实现商用为目标。

“Orbray”研发的2英寸金刚石晶圆

2022年5月，日本佐贺大学的嘉数诚教授与Orbray公司联手利用2英寸晶圆，研发出了输出功率为875MW/cm²（为全球最高）、高压达2568V的半导体。

2023年5月，Orbray宣布与丰田旗下车载半导体研发企业Mirise Technologies签订协议，共同研发钻金刚石功率半导体。

2024年6月，Orbray与Element SiX（元素六）达成战略合作，共同生产“全球品质最高的单晶金刚石晶圆”，此次合作再次体现其对工业重视及布局领先性。

法国公司Diamfab：2025年实现4英寸金刚石晶圆

此外，位于法国的半导体金刚石初创公司Diamfab也在为了金刚石芯片的技术而不断努力。

Diamfab表示，为了满足汽车、可再生能源和量子产业的半导体和功率元件市场需求，公司在合成金刚石的外延和掺杂领域开发出了突破性技术，并拥有四项专利，其专长在于薄金刚石层的生长和掺杂，以及金刚石电子元件的设计。

今年3月，该公司宣布获得870万欧元的首轮融资。这轮融资将使 Diamfab 能够建立一条试验生产线，对其技术进行工业化前处理，加速其发展，从而满足对金刚石半导体日益增长的需求。

Diamfab已经申请了金刚石电容器的专利，并在与该领域的领先企业合作。Diamfab首席执行官Gauthier Chicot说道：“在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过1000A/cm²的高电流密度和大于7.7MV/cm 的击穿电场。这些是未来设备性能的关键参数，并且已经优于SiC等现有材料为电力电子设备提供的参数。此外，我们有一个明确的路线图，到2025年实现4英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”

韩国团队：降低金刚石薄膜成本

今年4月，韩国基础科学研究所的材料科学团队在《自然》杂志刊文，宣布成功在标准大气压和1025°C下实现钻石合成，该制备方法有望为金刚石薄膜的生产开创一条成本更低的道路。

该研究团队负责人Rodney Ruoff表示，几年前注意到合成金刚石不一定需要极端条件，将液态金属镓暴露在甲烷气体中可生成金刚石的同素异形体石墨，这启发了Ruoff对含镓液金从含碳气体中“脱碳”进而生成金刚石路线的研究。目前Ruoff团队已成功制备由数千个金刚石晶体组成的微型金刚石薄膜。

结语

早在五六十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮，但时至今日，也未能大规模用上金刚石半导体所制造的器件。

尽管这一材料还有不少路要走，但已在半导体链中展现活力与应用潜力。未来，随着大尺寸、高质量以及大范围、高灵活度的金刚石沉积技术的逐步开发，有望使半导体行业进入一个新时代。

参考来源：

1.环球时报：下一代芯片用什么半导体材料 

2.中国地质大学北京郑州研究院，半导体行业观察

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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