在當今時代，半導體產業正處於一個轉型的關鍵時期，以矽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元件不斷向高功率、小型化、整合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晶片革命正悄悄興起。

金剛石，指的就是還未經打磨的鑽石原石。那麼，作為一種闖入了大家視線中的新半導體材料，「鑽石」晶片究竟有何魅力？無限可能背後，進展與挑戰並存。

「鑽石」晶片，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，以及優異的裝置品質因子(Johnson、Keyes、Baliga)，採用金剛石襯底可研製高溫、高頻、高功率、抗輻照電子裝置，克服裝置的「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，適用於光伏器件的研發；電學方面，其絕緣性能和介電常數使其在複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晶片能夠承受極端工作條件。

這些特性使得金剛石在晶片製造領域展現出巨大潛力，常被用於高功率密度、高頻率電子裝置的散熱。在5G/6G通訊，微波/毫米波積電路、探測與感測等領域發展扮演重要角色。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」。

透過使用金剛石電子裝置，不僅可以減輕傳統半導體的熱管理需求，而且這些裝置的能源效率更高，並且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環境。

例如，在電動車中，基於金剛石的功率電子元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及更高等級網路的部署中，對高頻和高功率裝置的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支援下一代通訊系統，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、更有效率的智慧型手機、筆記本電腦和穿戴式裝置元件的開發，從而帶來新的產品創新並提高消費電子市場的整體性能。

據市場調研機構Virtuemarket資料指出，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基板市場，到2023年預計將佔全球收入份額的40%以上。

在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、包裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體產業的各個關鍵領域，推動技術創新與產業升級。

熱沉與散熱：金剛石以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。在半導體雷射器中，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。

這項特性使得金剛石在新能源車、工業控制等領域的高功率IGBT模組中也具有廣泛的應用前景，有助於實現更高效的散熱和更高的功率密度。

目前高功率半導體雷射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：基板是裸晶片封裝中熱傳導的關鍵環節。 Al 2 O 3陶瓷是目前產量最多、應用最廣的陶瓷基片，但由於其熱膨脹係數(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Al 2 O 3陶瓷基片並不適合在高頻、大功率、超大規模積體電路中使用。

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，元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，金剛石憑藉高熱導率、低熱膨脹係數和良好的穩定性，逐漸成為新一代封裝基板材料的焦點。透過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體復合，製備出的金剛石/金屬基複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容易製作成封裝材料，且成本較高，但其優勝於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效能晶片的散熱問題提供了創新解決方案，助力AI、資料中心等產業的快速發展。

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

例如在碳化矽晶體的切割、研磨和拋光等環節，金剛石工具就發揮了關鍵作用。此外，隨著5G、物聯網等技術的普及，消費電子產業對精密加工的需求日益增加，金剛石刀具和微粉製品為金屬、陶瓷和脆性材料提供了高品質的精密表面處理方案，推動了產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。

「鑽石」晶片產業化，進展不斷

目前，全球都在加緊金剛石在半導體領域的研製工作。

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)金剛石襯底的超寬頻高功率半導體。該項目是由美國國防高級研究計畫局（DARPA）主導的超寬頻隙半導體（UWBGS）計畫的一部分，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。

雖然製備的大尺寸金剛石晶圓可應用於熱沉和光學領域，但在電子級半導體領域的商業化應用卻有許多難題。例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夥伴關係，包括法國的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美國的史丹佛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整合在一起，對於推動超寬帶隙半導體技術的發展至關重要。

據悉，Element Six是鑽石公司De Beers的子公司，總部位於英國倫敦，是單晶金剛石和多晶金剛石合成的領導企業，在化學氣相沉積（CVD）技術方面擁有豐富的經驗。

Element Six對UWBGS計畫的貢獻將利用該公司在大面積CVD聚晶金剛石和高品質單晶(SC)金剛石合成方面的專業知識，實現4英吋裝置級SC金剛石基板。

SC金剛石基板是實現先進電子產品的關鍵，包括高功率射頻開關、雷達和通訊放大器、高壓功率開關、極端環境的高溫電子產品、深紫外線LED和雷射器，支撐著數十億美元的系統市場。

Element Six能夠生產出高品質且具有高度有序晶體結構的單晶金剛石晶圓。目前，SC金剛石襯底已用於CERN大型強子對撞機的監測系統，並協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體。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英吋，被廣泛應用於EUV 光刻中的光學窗口以及高功率密度Si和GaN半導體裝置的熱管理應用。

此外，在高壓元件方面，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體，展示了基於金剛石的半導體在改變功率電子領域中的潛力。

同時，Element Six正在與其合作夥伴擴展在金剛石技術方面的核心能力。通過與日本Orbray進行知識產權和裝置的交叉許可。 Orbray已建立了直徑為55毫米（約2吋）的單晶金剛石基底的製造技術，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英吋）的鑽石。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訊半導體用大直徑單晶金剛石基板的製造技術，擴大單晶金剛石晶圓的生產規模，並在超寬帶隙半導體市場中佔據更大的市場份額。

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。多晶金剛石一般用於熱沉、紅外和微波窗口、耐磨塗層等方面，但它不能真正發揮金剛石的優異電學性能，這是由於其內部存在晶界，會導致載流子遷移率及電荷收集效率大幅降低，使得其所製備的電子元件性能受到嚴重抑制；單晶金剛石則不會有這種顧慮，一般用於探測器和功率裝置等關鍵領域。

多年來，採用高壓高溫技術（HPHT）製造的合成金剛石廣泛應用於研磨應用，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，基於化學氣相沉積（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。這些新合成方法支援全面開發利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。

華為佈局金剛石

2023年11月，華為與哈爾濱工業大學聯合申請的一項專利《一種基於矽和金剛石的三維整合晶片的混合鍵合方法》，這項專利涉及一種基於矽和金剛石的三維整合晶片的混合鍵合方法。

具體來看，就是透過Cu/SiO 2混合鍵合技術將矽基與金剛石襯底材料進行三維整合。華為希望透過兩者的結合，充分利用矽基半導體和金剛石的不同優勢。

在專利書中提及，「隨著整合密度不斷升高以及特徵尺寸不斷縮小，電子晶片的熱管理面臨極大的挑戰。晶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，嚴重威脅晶片性能、穩定性和使用壽命。

今年3月，廈門大學於大全教授團隊與華為團隊合作開發了基於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整合到2.5D玻璃轉接板封裝晶片的背面，並採用熱測試晶片（TTV）研究其散熱特性。

Diamond Foundry，培育全球首個單晶金剛石晶圓

由麻省理工、史丹佛大學、普林斯頓大學的工程師創立的企業——Diamond Foundry，在金剛石晶片方面也取得了進展。

據理解，這家企業希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制人工智慧、雲端運算晶片、電動汽車電力電子裝置和無線通訊晶片的熱挑戰。

2023年10月，Diamond Foundry培育了世界上第一個單晶金剛石晶片，在具體的資料上，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吋長寬、小於3毫米厚度的鑽石晶圓，而這些晶圓可以和矽晶片一同使用，快速傳導並釋放晶片所產生的熱量。

Diamond Foundry開發了一套技術，為每個晶片植入鑽石。以原子的方式直接連接金剛石，將半導體晶片黏合到金剛石晶圓基板上，以消除限制其性能的散熱瓶頸。

這一方案的優勢在於，可以使得晶片的運行速度至少是額定速度的兩倍。 Diamond Foundry工程師表示，在輝達最強大的AI晶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年後引入單金剛石晶片，並在每個晶片後面放置一顆金剛石；預計在2033年前後，將金剛石引入半導體。

Advent Diamond：金剛石摻磷技術

美國的Advent Diamond也是這樣一家致力於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。

據理解，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製造出n型半導體，而這正是電子裝置開發的關鍵要素。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，拓展了基於金剛石的電子產品的潛在應用領域。

Advent Diamond的專業技術不僅限於材料生長，還包括全面的元件設計、製造和表徵能力。這包括蝕刻、光刻和金屬化等先進的潔淨室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學測量等一整套表徵技術。 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徵金剛石層，確保了半導體級金剛石材料的最高品質和性能標準。

據理解，目前Advent Diamond已有1-2英吋的鑲嵌鑽石晶圓，並且正在努力將晶片尺寸擴大到4英吋。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吋金剛石晶圓

此外，位於法國的半導體金剛石初創公司Diamfab也在為了金剛石晶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計畫最初在格勒諾布林值阿爾卑斯SATT Linksium進行孵化，該公司於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、再生能源和量子產業的半導體和功率元件市場需求，該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，並擁有四項專利，其專長在於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，該公司宣佈獲得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，並在與該領域的領先企業合作。 Diamfab執行長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/cm 2的高電流密度和大於7.7MV/cm 的擊穿電場。這些是未來裝置性能的關鍵參數，並且已經優於SiC等現有材料為電力電子裝置提供的參數。

日本全面發力金剛石晶片產業

根據已宣佈的研究成果來看，日本對金剛石晶片的產業化探索更加全面。

從2022年開始，日本生成了可用於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件製造商Orbray，合作開發了一個金剛石製成的功率半導體，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雷射技術可以沿著最佳晶體平面“毫不費力地切割」鑽石。

基於雷射的切割工藝，可以乾淨地切割鑽石而不破壞鑽石。研究人員表示，新技術透過將短雷射脈衝聚焦到材料內狹窄的錐形體積上，防止雷射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鑽石轉變為「適合未來更有效率技術的半導體材料」的關鍵一步。 Hidai教授表示，用雷射切割鑽石“能夠以低成本生產高質量的晶圓”，並且對於製造鑽石半導體裝置是必不可少的。

美國公司Akhan

Akhan公司專門從事實驗室製造合成電子級金剛石材料，早在2021年8月，Akhan就宣佈開發出首款將CMOS矽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於p型摻雜的障礙。

後續，Akhan又宣佈了其Miraj Diamond平台，它開發了一種申請專利的新工藝，其中在矽上建立n型金剛石材料，具有以前未證實的特性。

在半導體產業觀察先前文章《金剛石晶片，商用在即》中提到，Akhan的創始人兼執行長Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，專注於半導體領域，目的是利用金剛石的優異特性為電力電子和量子光子裝置提供先進的解決方案。

今年5月，Diamond Quanta宣佈，其擁有的「統一金剛石框架」有利於真正的取代摻雜。這項創新技術將新元素無縫地融入鑽石的結構中，賦予鑽石新的特性，同時又不破壞其晶體完整性。

因此，金剛石已轉變為能夠支援負（n型）和正（p型）電荷載子的高性能半導體。這種遷移率水平表明金剛石晶格非常幹淨、有序，並且由於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，摻雜過程透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並開發這種先進的摻雜工藝是必要的。電子、汽車、航空航太、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。 「我們的技術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。

韓國團隊：降低鑽石薄膜成本

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》雜誌刊文，宣佈成功在標準大氣壓和1025°C下實現鑽石合成，該製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，幾年前註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，當反應環境引入矽單質後，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、鎳和矽的混合物暴露在甲烷氫氣混合氣氛中，並加熱到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團隊已成功製備由數千個金剛石晶體組成的微型金剛石薄膜。

如果未來這常壓合成技術能成功推廣至更大規模，那將開闢一條更經濟、更簡便的金剛石薄膜製備道路，可望為量子電腦和功率半導體發展提供強大助力。

不只上述這幾家企業在推動「鑽石」晶片的產業化。還有不少行業公司都在投身於此。

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，優勢資源不斷彙集，也加速了研發產業化速度。這意味著「鑽石」晶圓時代的開始。

總而言之，金剛石半導體具有優於其他半導體材料的優異特性，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，並逐步進入金剛石多功能發展的轉型時期。

未來，隨著大尺寸、高品質以及大範圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發，有望使大規模整合電路和高速整合電路的發展進入一個新時代。

寫在最後

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製造的裝置。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，但要實現金剛石晶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範圍有限等問題。

儘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，在各方共同的推動下，具備各種優異特性的金剛石材料在未來將會進一步發展，幫助半導體材料領域邁出至關重要的一步。

當然，新材料最終作用並非將以矽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。 （半導體產業觀察）