电力损耗仅1/50000！日本金刚石半导体逐近商业化

钻石功率半导体由合成钻石制成，由于热导性和其他特性，被称为 “*半导体材料”。其性能比现有材料超出一个量级，随着日本研究有所进展，正逐渐接近商业化的可行性。

"钻石"?芯片，魅力何在？

“钻石” 又为金刚石，特别适合用于功率半导体，因其电气强度约是硅的 33 倍。金刚石功率半导体可在约五倍热的环境中运行，电力损耗可减少到硅制产品的五万分之一。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）同样也是备受关注的下一代半导体基板，但金刚石性能远高于两者。以巴利加系数（Baliga figure of merit，BFOM）来看，金刚石的性能是碳化硅的 80 倍以上，是氮化镓的 10 倍以上。金刚石半导体有望用于需要大量稳定电源的应用，包括电动车、飞天车和发电站；其耐高温和抗辐射特性也有望用于核能和太空等领域。然而，金刚石做为半导体材料也面临诸多困难，如硬度关系，很难按电子设备所需的精度进行研磨和加工，再来长时间用于半导体也可能变质，成本也影响商业化进程。但经过去几年的长足进步，金刚石半导体预计将在 2030 年间进入商业化阶段。而日本在该领域的研发方面处于*地位。

日本全面发力金刚石芯片产业

根据已有的研究成果来看，日本对于金刚石芯片的产业化探索较全面。2021 年 9 月，日本东京精密组件制造商 Orbray 与日本佐贺大学合作，成功开发了超高纯度的 2 英寸金刚石晶圆。在次年 5 月，双方又合作利用 2 英寸晶圆，研发出了输出功率为 875MW/cm2（为全球*高）、高压达 2568V 的半导体。2023 年 5 月，Orbray 宣布，与丰田旗下车载半导体研发企业 Mirise Technologies 签订协议，共同研发钻金刚石功率半导体。2023 年 4 月，日本佐贺大学开发了世界上*个使用金刚石半导体器件的功率电路。同年，12 月，该大学的教授嘉数诚表示，将目前作为控制电力的功率半导体推进研究的 “金刚石半导体”，应用于太空通信的微波传输半导体。

2023 年 12 月，日本初创公司 Power Diamond Systems 开发一种钻石组件，可处理世界*的 6.8 安培电流，计划几年内开始出货样品；新创 Ookuma Diamond Device 在福岛县建厂，将量产钻石半导体，目标 2026 年开始营运。研究制造精密设备的 JTEC Corporation，拥有电浆抛光高硬度材料表面的独特技术。该公司已成功抛光世界*尺寸的单晶钻石基础材料，获得加工钻石材料的开发设备订单。

“钻石” 芯片产业化，进展不断

除了日本，欧美及国内也积极投入在金刚石半导体的研发。

欧美国家

在人造金刚石先进材料的设计、开发和生产的全球领导者－Element Six（元素六），正主导美国一个关键项目－开发使用单晶（SC）金刚石衬底的超宽带高功率半导体。该项目是由美国国防*研究计划局（DARPA）主导的超宽带隙半导体（UWBGS）计划的一部分，旨在开发下一代面向国防和商业应用的先进半导体技术，突破半导体的性能和效率极限。为此，Element Six与多个半导体行业的关键参与者建立了战略合作伙伴关系，包括在2024年6月，与日本东京精密组件制造商 Orbray达成战略合作，共同生产 “全球品质*高的单晶金刚石晶圆”。

在人造金刚石先进材料的设计、开发和生产处于全球领导地位的 Element Six 公司，正主导美国一个关键项目－开发使用单晶（SC）金刚石衬底的超宽带高功率半导体。该项目是由美国国防*研究计划局（DARPA）主导的超宽带隙半导体（UWBGS）计划的一部分，旨在开发下一代面向国防和商业应用的先进半导体技术，突破半导体的性能和效率极限。为此，Element Six 与多个半导体行业的关键参与者建立了战略合作伙伴关系，包括在 2024 年 6 月，与日本 Orbray 达成战略合作，共同生产 “全球品质*高的单晶金刚石晶圆”。

2023 年 10 月，由麻省理工、斯坦福大学、普林斯顿大学的工程师创立的企业——Diamond Foundry，在金刚石芯片方面也取得了进展。该公司培育出了世界上*个单晶金刚石晶片，其直径为 100 毫米、重量 100 克拉。Diamond Foundry 目前已经可以在反应炉中培育出 4 英寸长宽、小于 3 毫米厚度的钻石晶圆，而这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。Diamond Foundry 还开发了一套技术，为每个芯片植入钻石。以原子的方式直接连接金刚石，将半导体芯片粘合到金刚石晶圆基板上，以消除限制其性能的散热瓶颈。据 Diamond Foundry 透露，希望在 2033 年前后，将金刚石引入半导体。

拥有在*基底上生长单晶掺磷金刚石能力的美国初创公司 Advent Diamond，于今年 4 月表示解决了关键技术难题，成功通过制造掺杂磷的单晶金刚石来创建n型半导体。此外，该公司也正在研发基于钻石的辐射探测器，为国防、商业和科学领域带来革命性变化。

中国

2023 年 11 月，华为与哈尔滨工业大学联合申请的一项专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》，该专利涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。具体来看，就是通过 Cu/SiO2 混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。华为希望通过两者的结合，充分利用硅基半导体和金刚石的不同优势。今年 3 月，华为又与厦门大学与合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，成功将多晶金刚石衬底集成到 2.5D 玻璃转接板封装芯片的背面，并采用热测试芯片（TTV）研究其散热特性。

*后

早在五六十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮，金刚石在半导体领域虽具有显著优势，但要实现金刚石芯片的大规模生产和应用，还面临着诸多挑战和限制，例如成本高、加工难度大、掺杂等技术工艺不成熟以及应用范围有限等问题。尽管这一材料还有不少路要走，但已在半导体链中展现活力与应用潜力。

早在五六十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮，金刚石在半导体领域虽具有显著优势，但要实现金刚石芯片的大规模生产和应用，还面临着诸多挑战和限制，例如成本高、加工难度大、掺杂等技术工艺不成熟以及应用范围有限等问题。尽管这一材料还有不少路要走，但已在半导体链中展现活力与应用潜力。