電力損耗僅1/50000！日本研發，鑽石半導體取得重大突破！

鑽石功率半導體由合成鑽石製成，由於熱導性和其他特性，被稱為 “終極半導體材料”。其性能比現有材料超出一個量級，隨著日本研究有所進展，正逐漸接近商業化的可行性。

一、金剛石晶片的魅力與潛力

金剛石，這一珍貴的寶石，如今在半導體領域正綻放出耀眼的光芒，被稱為“鑽石功率半導體”的它，由合成鑽石製成，以其卓越的熱導性和其他特性，被譽為“終極半導體材料”。

其性能之強大，遠超現有材料，電氣強度約是硅的 33 倍，可在約五倍熱的環境中運行，電力損耗更是可減少到硅制產品的五萬分之一。與備受關注的碳化硅和氮化鎵相比，金剛石的性能也遠高於它們，以巴利加係數來看，金剛石的性能是碳化硅的 80 倍以上，是氮化鎵的 10 倍以上。

Orbray公司與佐賀大學製造的2英吋晶圓

金剛石功率半導體的應用前景極為廣闊。它有望用於需要大量穩定電源的領域，如電動車、飛天車和發電站等。其耐高溫和抗輻射的特性，也使其在核能和太空等領域有著巨大的潛力。然而，金剛石作為半導體材料並非一帆風順，它面臨著諸多困難。由於其硬度極高，很難按電子裝置所需的精度進行研磨和加工。而且，長時間用於半導體也可能出現變質的情況。此外，成本問題也嚴重影響著金剛石晶片的商業化處理程序。儘管如此，經過近幾年的長足進步，金剛石半導體預計將在 2030 年間進入商業化階段，這無疑為半導體產業帶來了新的希望。

二、全球金剛石晶片產業的發展態勢

日本在金剛石晶片領域的研發處於領先地位。2021 年 9 月，日本東京精密元件製造商 Orbray 與日本佐賀大學合作，成功開發了超高純度的 2 英吋金剛石晶圓。次年 5 月，雙方再次攜手，利用 2 英吋晶圓研發出了輸出功率為 875MW/cm2（全球最高）、高壓達 2568V 的半導體。2023 年，雙方的合作繼續深化，Orbray 與豐田旗下車載半導體研發企業 Mirise Technologies 簽訂協議，共同研發金剛石功率半導體。同時，日本佐賀大學也在不斷取得突破，開發了世界上第一個使用金剛石半導體器件的功率電路，並將金剛石半導體應用於太空通訊的微波傳輸半導體。此外，日本初創公司 Power Diamond Systems 開發的鑽石元件可處理世界領先的 6.8 安培電流，計畫幾年內開始出貨樣品；新創 Ookuma Diamond Device 在福島縣建廠，將量產鑽石半導體，目標 2026 年開始營運。JTEC Corporation 則憑藉獨特的電漿拋光技術，成功拋光世界領先尺寸的單晶鑽石基礎材料，獲得加工鑽石材料的開發裝置訂單。

歐美國家也在積極投入金剛石半導體的研發。Element Six 作為人造金剛石先進材料的全球領導者，正主導美國國防高級研究計畫局的超寬頻隙半導體計畫的一部分，開發使用單晶金剛石襯底的超寬頻高功率半導體，並與多個半導體行業關鍵參與者建立戰略合作夥伴關係，包括與日本 Orbray 達成戰略合作，共同生產“全球品質最高的單晶金剛石晶圓”。Diamond Foundry 培育出了世界上第一個單晶金剛石晶片，直徑為 100 毫米、重量 100 克拉，目前已經可以在反應爐中培育出 4 英吋長寬、小於 3 毫米厚度的鑽石晶圓，並開發了一套技術為每個晶片植入鑽石。Advent Diamond 解決了關鍵技術難題，成功建立 n 型半導體，還在研發基於鑽石的輻射探測器。

Diamond Foundry 製作的熱量情況對比圖

在中國，2023 年 11 月，華為與哈爾濱工業大學聯合申請專利《一種基於硅和金剛石的三維整合晶片的混合鍵合方法》，通過 Cu/SiO2 混合鍵合技術將矽基與金剛石襯底材料進行三維整合。今年 3 月，華為又與廈門大學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，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，並研究其散熱特性。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。雖然金剛石晶片在實現大規模生產和應用方面還面臨著諸多挑戰和限制，但它已在半導體鏈中展現出活力與應用潛力。相信隨著技術的不斷進步，金剛石晶片有望在未來的半導體領域發揮更加重要的作用。

(芯榜+)