在當今科技飛速發展的時代，半導體技術作為現代信息技術的核心，一直處于不斷創新與變革之中。傳統的硅基半導體材料在過去幾十年里為電子工業的蓬勃發展立下了汗馬功勞，但隨著科技對更高性能、更低功耗、更強耐熱性等要求的不斷提升，科研人員將目光投向了具有卓越物理特性的金剛石材料，探索其在半導體領域的應用潛力。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制造的器件。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。

金剛石半導體的巨大潛力

金剛石具有一系列令人矚目的特性，使其成為極具吸引力的半導體材料候選者。首先，它的熱導率2000W/(m·K)，是銅的五倍左右，這意味著在芯片工作過程中能夠更高效地散熱，從而顯著提高芯片的可靠性和性能，尤其適用于高功率電子器件的應用場景。其次，金剛石具有高擊穿電場強度，相比傳統硅材料能夠承受更高的電壓而不被擊穿，為高壓、大功率半導體器件的開發提供了可能。再者，其電子遷移率較高，有助于提高電子器件的開關速度和工作頻率，能夠滿足高速通信和高性能計算等領域對芯片性能的嚴苛要求。此外，金剛石還具備良好的化學穩定性和抗輻射性能，使其在惡劣環境下的電子設備應用中具有獨特優勢，例如航空航天、核能等領域。

金剛石半導體產業化面臨的重重挑戰

（一）材料生長難題

大尺寸襯底的困境：目前，金剛石單晶襯底的尺寸相對較小，難以滿足大規模集成電路生產對晶圓尺寸的需求。盡管研究人員在不斷努力擴大襯底尺寸，但與硅晶圓常見的8英寸甚至12英寸相比，仍有較大差距。小尺寸襯底不僅限制了芯片的集成度，而且會導致生產成本的大幅增加，因為在相同的生產規模下，小尺寸襯底的芯片產量較低。

生長技術的瓶頸：化學氣相沉積（CVD）是制備金剛石薄膜用于半導體的主要方法之一，但該技術存在生長速率較慢、成本較高的問題。生長過程需要精確控制溫度、壓力、氣體流量等多個參數，且反應條件較為苛刻，這對設備和工藝的要求極高。此外，通過高溫高壓法（HTHP）制備的金剛石主要應用于工業加工和珠寶領域，難以直接轉化為高質量的半導體級材料，而CVD法制備的金剛石在晶體質量、均勻性等方面仍有待進一步提高。

（二）摻雜技術障礙

電離能與重摻雜問題：金剛石本身是絕緣體，通過硼摻雜可實現p型導電，但硼摻雜金剛石的電離能較高，在室溫下難以完全電離，這嚴重限制了其在半導體器件中的電學性能。而且，重摻雜會導致金剛石表面出現缺陷，使半導體性質下降，如何在實現有效摻雜以調控電學性質的同時避免過多缺陷的產生，是當前亟待解決的關鍵技術難題之一。

（三）器件制造困境

工藝兼容性挑戰：金剛石的硬度極高，僅次于立方氮化硼，這使得其加工難度極大。在傳統的半導體制造工藝中，如光刻、蝕刻、摻雜等環節，現有的設備和工藝方法難以直接應用于金剛石材料。例如，光刻過程中需要開發特殊的光刻膠和曝光工藝，蝕刻時需要尋找合適的蝕刻劑和蝕刻條件，這都增加了器件制造的復雜性和成本。

（四）成本高昂制約

原材料與設備成本：制備高質量的半導體級金剛石，對原材料的純度和質量要求極為嚴格，這導致原材料成本居高不下。同時，金剛石生長和加工所需的專業設備，如CVD設備、高溫高壓設備等，價格昂貴，設備的維護和運行成本也很高。高額的成本使得金剛石半導體產品在市場競爭中處于劣勢，難以大規模推廣應用。

（五）市場與產業化配套不完善

市場認知與接受度：金剛石半導體作為一種新興的技術和材料，市場對其了解和認知還非常有限。與傳統硅基半導體在消費電子、計算機等眾多領域廣泛應用的成熟局面相比，金剛石半導體的應用領域目前還相對較窄，主要集中在一些高端、特殊領域的研究和試驗階段。市場需求的不足導致企業在產業化投入上較為謹慎，缺乏大規模生產的動力。

金剛石半導體當前的研究進展與突破

盡管面臨諸多挑戰，但近年來在金剛石半導體領域也取得了一些令人鼓舞的研究進展。全球范圍內，對金剛石半導體的研發和產業化工作正在如火如荼地進行。從Element Six贏得UWBGS項目，到華為積極布局金剛石半導體技術；從Diamond Foundry培育出全球首個單晶金剛石晶圓，到Advent Diamond在金剛石摻磷技術上的突破；再到法國Diamfab計劃在2025年實現4英寸金剛石晶圓的量產，以及日本、美國、韓國等國家的全面發力，金剛石半導體的產業化進程正以前所未有的速度向前推進。

（一）高功率輸出突破

日本佐賀大學教授嘉數教授與精密零部件制造商日本Orbray合作開發出了用金剛石制成的功率半導體，并以1平方厘米875兆瓦的電力運行，這是目前金剛石半導體中輸出功率的全球最高值，在所有半導體中僅次于氮化鎵產品的約2090兆瓦，展現了金剛石半導體在高功率應用方面的巨大潛力。

（二）歐姆接觸技術突破

哈工大航天學院/鄭州研究院創新提出過渡金屬（TMs）金屬化方法，首次在絕緣的氧終端本征金剛石（OTD）表面制備出了有效歐姆接觸，10-8Ωcm2級別極低比接觸電阻打破了金剛石器件領域近三十年的記錄。該研究通過對界面結構的微觀表征，發現TMs擴散進金剛石中產生的淺層晶格損傷是形成歐姆接觸的關鍵原因，改變了界面過渡金屬碳化物（TMC）的生成是金剛石歐姆接觸的成因這一傳統認知，從而擴展了在金剛石上制備穩定低阻歐姆接觸的方法與理論，有望推動金剛石基高頻高功率電子器件與高性能光電器件產業的發展。

（三）加工技術突破

大族半導體聚力攻克金剛石激光切片技術（qcb fordiamond），實現了金剛石高質量低損傷高效率激光切片。通過精確控制激光在材料內部的作用位置，引導裂紋沿著指定平面擴展，實現晶片的無損分離。相比傳統的機械加工方法，該技術具有非接觸性加工、避免機械應力損傷、實現高精度加工、減少材料浪費、提高加工效率等顯著優勢，剝離后粗糙度Ra低至3μm以內，激光損傷層可大幅度降低至20μm，大幅降低了金剛石的加工成本，推動其在電子、光學等高端領域的廣泛應用。

（四）材料制備突破

目前元素六公司已實現4英寸電子級多晶金剛石的商業化量產，國際最大制備尺寸可達8英寸，隨著MPCVD技術的改善升級有望與現存的8英寸半導體晶圓制造產線兼容，最終實現多晶金剛石熱沉材料在半導體材料產業的規模化應用推廣。

結語

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，優勢資源不斷匯集，也加速了研發和產業化速度。這意味著“鉆石”晶圓時代的開始。未來，隨著大尺寸、高質量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發，有望使大規模集成電路和高速集成電路的發展進入一個新時代。

參考來源：中國財富網，科技日報，中國科技網，中國粉體網等