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作者：鵬程
近年來，在半導體行業(yè)中，金剛石逐漸成為了關注熱點。
為了實現(xiàn)綠色低碳的目標，過去幾年中，半導體行業(yè)正在不斷追求更高效、更強大的半導體器件。傳統(tǒng)硅材料雖然被廣泛使用，但在效率方面正日益逼近其極限，尤其是在高溫和高壓條件下。氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等半導體材料的出現(xiàn)與發(fā)展，讓行業(yè)突破了硅的限制，開發(fā)出更高效、更可持續(xù)的技術，如今這些材料在可再生能源系統(tǒng)、電動汽車和其他減少碳排放的技術中發(fā)揮著關鍵作用。然而，探索并不止于此。
長期以來，金剛石因其審美價值而受到重視。如今，在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石作為一種新型半導體材料闖入了大家的視線當中，并引發(fā)了研究人員和行業(yè)專家的關注。
?01、“終極半導體材料”前景廣闊
金剛石是集優(yōu)異的電學、光學、力學、熱學和化學等特性于一身的超寬禁帶半導體，被譽為“終極半導體材料”、“終極室溫量子材料”，作為具有獨特物理化學特性的新型材料，未來應用領域廣闊。
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（22 W/cmK）等材料特性，遠遠高于第三代半導體材料 GaN 和 SiC，以及優(yōu)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，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發(fā)展起到重要作用。
另外由于金剛石具有很大的激子束縛能（80meV），使其在室溫下可實現(xiàn)高強度的自由激子發(fā)射（發(fā)光波長約為 235nm），在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面具有較大的潛力，其在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研制中也發(fā)揮重要作用。通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)，包括射頻開關、放大器和發(fā)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(fā)，從而帶來新的產品創(chuàng)新并提高消費電子市場的整體性能。
據市場調研機構Virtuemarket數(shù)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(guī)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(yè)不斷增長的需求的推動下，亞太地區(qū)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(yōu)勢和廣闊前景驅動下，金剛石在半導體產業(yè)鏈上的多個環(huán)節(jié)已經展現(xiàn)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(yè)的各個關鍵領域，推動技術創(chuàng)新與產業(yè)升級。不過，目前金剛石半導體材料在生長方面仍然存在著一些突出的問題。
?02、中美日角逐金剛石半導體
金剛石的硬度使其難以以電子設備所需的精度進行研磨和加工。金剛石在半導體中長期使用時也會變質。嘗試用金剛石形成更大的基板是一項特別的挑戰(zhàn)，而成本阻礙了其商業(yè)化。但經過過去幾年的長足進步，金剛石半導體預計將在明年至2030年間進入商業(yè)化階段。
日本廠商在該研發(fā)領域進展較快。日本經濟產業(yè)省提供了“自立與回歸支持企業(yè)選址補助金”，以支持在特定地區(qū)（如福島縣避難區(qū)）建設新工廠等設施的企業(yè)。這一補貼為金剛石半導體工廠的建設提供了資金支持?？偛课挥跂|京的精密元件制造商Orbray已開發(fā)出大規(guī)模生產2英寸金剛石晶圓的技術，他們在藍寶石襯底上制成2英寸的單晶圓，突破了之前1英寸的極限。該公司預計很快將開發(fā)出4英寸晶圓。
以佐賀大學理工學部教授加須誠（半導體工學）為首的研究小組，在世界上首次成功開發(fā)出使用金剛石的半導體電源電路。證明了迄今為止被認為困難的高速開關和長時間運行是可能的。如果該電源電路能夠投入實際使用，有望應用于下一代通信標準“6G”、量子計算機等最新技術。東京的一家初創(chuàng)公司 Power Diamond Systems 開發(fā)出一種金剛石元件，能夠處理世界領先的 6.8 安培電流。該公司計劃在幾年內開始運送樣品。
北海道另一家初創(chuàng)公司大熊金剛石設備株式會社 (Ookuma Diamond Device) 在Pre-A輪融資中，籌集了包括債務融資在內的約40億日元，正在福島縣建造一家工廠，將大規(guī)模生產鉆石半導體，目標是在 2026 年 3 月開始運營。金剛石半導體可以承受高溫和高輻射，因此有望用于東京電力公司福島第一核電站的退役工作。據該公司稱，這是世界上第一家大規(guī)模生產工廠。
除了日本，美國也積極投入在金剛石半導體的研發(fā)和商業(yè)化。去年11月，美國能源部宣布向多個項目提供資助，用于開發(fā)下一代半導體技術，其中包括金剛石半導體。例如，伊利諾伊大學獲得了數(shù)百萬美元的資助，用于開發(fā)光觸發(fā)金剛石半導體開關設備和打造高功率金剛石光電設備等項目。
美國在金剛石半導體的制備技術方面取得了顯著進展。伊利諾伊大學香檳分校的研究人員開發(fā)出了一種具有最高擊穿電壓和最低漏電流的金剛石半導體器件，凸顯了金剛石半導體在電網及其他高壓應用領域的潛力。戴比爾斯集團旗下，以開發(fā)化學氣相沉積(CVD)金剛石技術和器件聞名的合成金剛石材料公司Element Six（元素六）宣布，公司將領導一個新的美國國防部高級研究計劃局（DARPA）項目：UWBGS（超寬禁帶半導體）——元素六及其合作伙伴將開發(fā)4英寸單晶金剛石材料，比目前常規(guī)可用的材料大10倍以上，以加速關鍵的電子技術。
此外，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）已委托雷神（Raytheon）公司開發(fā)基于人造金剛石和氮化鋁（AlN）的超寬帶隙半導體，以確保美國的軍事裝備生產。根據DARPA的合同要求，雷神公司的先進技術團隊將分階段推進這一項目。
在第一階段，團隊將專注于開發(fā)基于金剛石和氮化鋁的半導體薄膜，為后續(xù)的應用打下堅實基礎。第二階段則將致力于研發(fā)和改進金剛石和氮化鋁技術，以支持更大直徑的晶圓生產，特別是針對傳感器應用的需求。這兩個階段的工作必須在三年內完成。
我國在這一領域也不甘落后。西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心實現(xiàn)了2英寸金剛石的產業(yè)化。在國內率先實現(xiàn)了2英寸單晶金剛石的制備技術，填補了國內空白，目前的指標已經優(yōu)于國外最好水平，生產的單晶金剛石材料已經廣泛應用于我國5g通訊，為高頻、 大功率探測企業(yè)提供了核心材料與技術支撐。近年來，西安交大研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，還成功實現(xiàn)2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化。
今年10月，河南科之誠第三代半導體碳基芯片有限公司宣布其金剛石晶圓產線正式投產，并發(fā)布了首款產品——3.5GHz金剛石基聲表面波高頻濾波器，標志著這一采用全新技術路線終于從實驗室走到了生產線。
?03、意在避開中國在第三代半導體領域的原料管制
先進的功率芯片和射頻放大器依賴于氮化鎵 （GaN） 等寬帶隙半導體半導體材料，但是中國控制著大部分的鎵的供應。去年七月份，商務部和海關總署發(fā)布公告，決定對鎵、鍺相關物項實施出口管制，自2023年8月1日起正式實施。
中國通過出口許可制，可以厘清這些關鍵金屬出口的最終用戶和用途，以規(guī)避危害國家安全和利益的風險。從產量來看，中國產量占比全球鎵產量最高。德國和哈薩克斯坦分別于2016年和2013年停止了鎵生產。（2021年德國宣布將在年底前重啟初級鎵生產）， 匈牙利和烏克蘭分別于 2015 年和 2019 年停止鎵生產。鎵金屬通常被歸類為“小金屬”，在自然界中通常不會單獨發(fā)現(xiàn)，而是作為精煉廠的副產品以小濃度生產，這些精煉廠專注于鋅或氧化鋁等其他更主流的原材料。其他國家如果需要重啟鎵金屬的生產，需要構建巨大的產業(yè)鏈，成本巨大，得不償失。憑借其 3.4 eV 帶隙，GaN 已經成為高功率和高頻半導體的領先材料。
但是人造金剛石有可能在高頻性能、高電子遷移率、極端熱管理、更高功率處理和耐用性至關重要的應用中超越 GaN 的能力（其帶隙約為 5.5 eV）。因此，金剛石的產業(yè)化受到了美國日本燈國家的關注。然而，人造金剛石是一種新興的半導體材料，其大規(guī)模生產仍然存在挑戰(zhàn)。美國軍方依靠氮化鎵的特性來有效傳輸開發(fā)中的最先進雷達的功率。氮化鎵還被用于雷神公司正在制造的愛國者導彈防御系統(tǒng)的替代品。只有實現(xiàn)金剛石半導體的突破，美國和日本才有希望避開中國在第三代半導體領域的材料優(yōu)勢。
