中國粉體網訊  金剛石作為寬禁帶甚至超寬帶隙半導體材料的一員（禁帶寬度5.5eV），具有優異的物理和化學性質，是研制大功率、高溫、高頻等高性能半導體器件的理想材料，被行業譽為“終極半導體材料”。

金剛石半導體，有何優勢

金剛石是一種由純碳元素組成的單質，與石墨、納米碳管、富勒烯等均屬同素異形體，是一種集聲、光、熱、力、電，以及量子等眾多優異性能于一身的多功能超極限材料。

金剛石最引人關注的性質是其電子學（半導體）特性。它具有超寬禁帶、高載流子遷移率、高熱導率和低介電常數等優異的電子學性質，基于金剛石材料的半導體器件有望在高頻、大功率和高溫高壓，以及極端環境中運行。金剛石通過摻雜等方式可呈現n型導電和p型導電，綜合性能遠超GaAs、GaN和SiC等材料，是未來最有前景的（超）寬禁帶半導體材料。

主要寬禁帶材料的參數對比

由于金剛石的超寬帶隙，在半導體領域中，它既能作為有源器件材料（如場效應管和功率開關），也能作為無源器件材料（如肖特基二極管等）。寬禁帶半導體材料制造的新一代電力電子可以更小、更快、更可靠和更高效，從而減少電力電子元件的質量、體積及生命周期成本，并允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作。

基于這些潛在優勢，金剛石半導體在電力電子設備、家用電器、新能源汽車、移動電話基站等系統中均具有廣泛的應用前景。

根據Virtuemarket的數據，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年的預測期內，該市場預計將以復合年增長率12.3%增長。其認為，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襯底市場。

金剛石半導體，面臨挑戰

金剛石半導體材料雖優越，但面臨成本高昂和金剛石晶片尺寸小等限制。碳化硅成本是硅的30-40倍，氮化鎵更是高達650-1300倍，金剛石材料價格更是硅的10000倍。

為了解決生產應用方面的問題，不少公司都在努力攻關金剛石量產的相關技術。

日本佐賀大學與Orbray成功制造2英寸金剛石功率半導體，目標是未來生產出4英寸、6英寸的晶圓。2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達成戰略合作，共同生產“全球品質最高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現其對工業重視及布局領先性。

“Orbray”研發的2英寸金剛石晶圓

2023年10月，美國Diamond Foundry則制造出直徑約4英寸的單晶鉆石晶圓，這些晶圓可以和硅芯片一同使用，快速傳導并釋放芯片所產生的熱量。

法國Diamfab公司也在金剛石芯片技術上取得進展，今年3月獲得870萬歐元首輪融資，由Asterion Ventures、法國政府等投資者支持。Diamfab在金剛石外延和摻雜技術上取得突破，擁有四項專利，專注于金剛石層生長、摻雜及電子元件設計。Diamfab的金剛石技術實現高電流密度和擊穿電場，超越SiC等現有材料，計劃2025年實現4英寸晶圓生產。

圖源：Diamfab官網

2024年4月，韓國基礎科學研究所的材料科學團隊在《自然》雜志刊文，宣布成功在標準大氣壓和1025°C下實現鉆石合成，該制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。

盡管全球在金剛石量產商用上均有挑戰，但金剛石材料的優異特性有望在未來推動半導體材料領域取得重要進展。

寫在最后

我國金剛石產量高，但在功能性高端領域及材料開發上仍滯后。在金剛石半導體領域，美、歐、日處于領先地位，而國內在這一方面的研究長期處于空白狀態。

2013年，作為西安交大引進的國家級特聘專家人才，王宏興組建了西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心，帶領團隊科研人員開始攻關，歷經10年潛心研發，目前已形成具有自主知識產權的金剛石半導體外延設備研發、單晶/多晶襯底生長、電子器件研制等系列技術，可批量化提供1~2英寸的大面積高質量單晶金剛石襯底，有力支撐和推動我國金剛石半導體產業發展。

總之，金剛石半導體在新材料、新器件、新技術等方面的不斷創新和發展，為各行各業帶來了更廣泛的應用前景。2024年12月24日，中國粉體網將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到西安交通大學王宏興教授出席本次大會并作題為《金剛石半導體的新進展》的報告，將結合金剛石摻雜、器件設計等方面，清晰展現金剛石半導體前沿技術、材料和實踐有機結合的產業全景。

專家簡介

王宏興，西安交通大學電信學院電子科學與技術系，教授/博士生導師，電子物理與器件教育部重點實驗室主任，美國電氣學會（IEEE）、日本應用物理學會（JSAP）、日本電氣學會（IEEJ）、美國顯示學會（SID）和美國化學學會（ACS）委員、陜西省真空學會理事長。長期從事寬禁帶半導體材料、器件、設備的研發，獲國家科技進步三等獎1項，主持科研項目10余項，申報和獲得發明專利100余項，發表SCI收錄論文120余篇。

參考來源：

1.西安交大官網，海光智能科技，中國粉體網

2.半導體行業觀察：鉆石芯片，商用在即

3.高旭輝. 金剛石—終極半導體的“破繭”之路.科學咨詢

4.杜昊臨等. 金剛石半導體器件研究概述.科技論壇

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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