金刚石，半导体终极材料

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金刚石，半导体终极材料

自2000年开始，我国成为全球最大人造金刚石生产国，我国金刚石单晶产量占全球总产量的90%以上。

金刚石的化学成分为碳（C），属于碳元素的一种同素异形体，是目前人类已知自然界中最坚硬的物质。可分为天然金刚石和人造金刚石，其中天然金刚石属于非可再生资源，且矿藏储量稀少、开采成本高昂；人造金刚石主要采用高温高压法（HTHP）、化学气相沉积法（CVD）两种技术进行合成。

金刚石除了可应用于传统的工业切割和磨削材料、装饰钻石等领域，同时也是半导体的终极材料，具有宽带隙特性、高热导率、高电子迁移率、高击穿场强、高热稳定性和抗辐射能力等优良特性，使其在高频、高功率器件中具有显著优势。

而，各国也先后出台了相关的管制措施。早在2022年美国首先对我国半导体用金刚石实施禁运；同年日本紧随其后，将半导体用金刚石设计制造技术、金刚石异质外延衬底等高端金刚石材料纳入出口管制。而我国也在去年下半年决定对金刚石超硬材料物项实施出口管制。

  超越碳化硅、氮化镓，金刚石赋能高端应用

目前，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代化合物半导体材料虽然已经广泛用于高电压和高电流场景下的电动汽车、轨道车和5G基站等，但一些特定的高功率、高频、高温、高辐射、紫外光探测和高精度传感器应用中，金刚石的独特物理和化学特性使其能够提供更优的解决方案。

金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料：

半导体材料金刚石与硅、碳化硅、氮化镓的主要性能指标对比

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，特别契合于诸如5G通信、雷达、航空航天、核能、光通信、光探测等应用领域的需求。

  金刚石半导体的工业化道路

目前，金刚石在半导体领域的应用正成为全球主要国家竞相布局的战略高地。有专家预测，未来3-5年，4英寸金刚石衬底有望实现量产。

• 日本
  
  

从金刚石的衬底研发、器件设计、设备制造的全产业链，日本均有布局，现处于全球领先地位。

早在2021年，东京的Orbray采用异质外延法已开发出2英寸金刚石晶圆的量产技术，并有望在未来几年内实现4英寸晶圆的商业化。

2023年日本佐贺大学团队成功开发出全球首个采用金刚石半导体的电源电路，重点用于太空通信领域。

• 美国
  
  

2023年美国初创公司Diamond Foundry创造出了世界上首个单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。

2024年另一家初创公司Diamond Quanta宣布其专有的新型金刚石半导体制造和掺杂技术取得重大突破。

• 欧洲
  
  

如，法国公司Diamfab的目标是到2026年将金刚石晶圆尺寸拓展至4英寸。“相较于传统硅基半导体，金刚石器件所需晶圆面积更小，成本更低”，Diamfab首席执行官表示，“金刚石器件有望在4英寸晶圆上与SiC展开竞争。”

• 中国
  
  

我国亦紧随其后，在2024年西安交通大学的研究团队实现了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产，采用的是微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术。该项目荣获2024年度中国第三代半导体技术十大进展。

  技术挑战

目前，全世界金刚石电子器件的发展都受限于大尺寸、高质量的单晶衬底的限制。

也就是说，大尺寸单晶金刚石生产设备和高质量单晶金刚石衬底的制备技术，是需要攻克的关键技术。

具体，半导体金刚石面临的主要技术挑战包括：

• 晶体质量：高质量的单晶金刚石衬底制备难度较大，晶体中的缺陷（如位错、杂质等）会影响半导体器件的性能。
  
  

• 尺寸限制：虽然CVD等方法可以制备出高质量的金刚石薄膜，但目前能够实现的衬底尺寸较小，制备大面积、高质量的单晶金刚石衬底仍面临技术挑战。
  
  

• 掺杂技术：实现对金刚石的有效掺杂是将其应用于半导体器件的关键技术之一。目前，金刚石的掺杂技术还不够成熟，一方面难以精确控制掺杂浓度和掺杂均匀性；另一方面，硼掺杂虽可以实现p型金刚石，但n型掺杂仍然是一个技术难题，尚未找到理想的掺杂元素和有效的掺杂方法，这限制了金刚石基双极型器件的开发。
  
  

• 成本问题：金刚石材料的制备成本相对较高，尤其是高质量的单晶金刚石衬底。
  
  

• 加工问题：电子设备对半导体材料的表面平整度和尺寸精度要求极高。金刚石的高硬度使得达到这种精度的加工难度大幅增加，在研磨、抛光、切割、成型上尚面临高成本和加工难度。
  
  

• 与现有工艺的兼容性：金刚石的物理和化学性质与现有材料硅、碳化硅等有很大差异，需要开发新的集成、封装技术和工艺。
  
  

半导体金刚石具有许多优异的物理和化学特性，但同时面临的这些诸多挑战需要通过持续的研究和技术创新来逐步克服。

同时，在我国决定对镓、锗相关材料实施出口管制后，对美国等依靠氮化镓开发最先进军用雷达的国家来说，只有实现金刚石半导体的突破，才有希望避开我国在第三代半导体领域的材料优势。