钻石芯片 加速 |

在追求极致性能与效率的时代，一场由金刚石引领的芯片革命正悄然兴起。

当今时代，半导体行业正处于一个转型的关键时期，以硅为主导的半导体领域面临着高功率密度、高频、高温、高辐射等条件瓶颈；第三代半导体顺势而起，以GaN和SiC为代表的新材料的发展推动着功率器件不断向大功率、小型化、集成化和多功能方向前进，但散热、能效等关键特性依旧是业界矢志不渝的追求方向。

在追求极致性能与效率的时代，一场由金刚石引领的芯片革命正悄然兴起。

金刚石，指的就是还未经打磨的钻石原石。那么，作为一种闯入了大家视线中的新半导体材料，“钻石”芯片究竟有何魅力？无限可能背后，进展与挑战并存。

“钻石”芯片，魅力何在？

被誉为“自然界最坚硬物质”的金刚石，不仅硬度惊人，还拥有卓越的导热性能、极高的电子迁移率，拥有耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重优异性能参数，以及其他优异的物理特性。

具体来看，金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV)、高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(2000W/m·k)等材料特性，以及优异的器件品质因子(Johnson、Keyes、Baliga)，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。

此外，金刚石拥有优异的物理特性，在光学领域具有良好透光性和折射率，适用于光电器件的研发；电学方面，其绝缘性能和介电常数使其在复杂电路中发挥稳定作用；机械性能方面，高强度和耐磨性确保芯片能够承受极端工作条件。

这些特性使得金刚石在芯片制造领域展现出巨大潜力，常被用于高功率密度、高频率电子器件的散热。在5G/6G通信，微波/毫米波集成电路、探测与传感等领域发展起到重要作用。金刚石半导体被认为是极具前景的新型半导体材料，被业界誉为“终极半导体材料”。

通过使用金刚石电子器件，不仅可以减轻传统半导体的热管理需求，而且这些设备的能源效率更高，并且可以承受更高的击穿电压和恶劣的环境。

例如，在电动汽车中，基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能，支持下一代通信系统，包括射频开关、放大器和发射器；消费电子领域，单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发，从而带来新的产品创新并提高消费电子市场的整体性能。

据市场调研机构Virtuemarket数据指出，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024-2030年的预测复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下，亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场，到2023年预计将占全球收入份额的40%以上。

特性优势和广阔前景驱动下，金刚石在半导体产业链上的多个环节已经展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到BDD电极及量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体行业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。

热沉与散热：金刚石凭卓越热导与绝缘性能成为高功率散热首选，金刚石单晶热沉片的热导率是铜、银的5倍。在半导体激光器中，金刚石热沉片显著提升散热，减低热阻，增强输出功率，延长寿命。

这一特性使得金刚石在新能源汽车、工业控制等领域的高功率IGBT模块中也具有广泛的应用前景，有助于实现更高效的散热和更高的功率密度。

目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉，将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。但在热导率要求1000~2000W/m·k之间时，金刚石是当前首选甚至唯一可选的热沉材料。金刚石用作热沉材料主要有两种形式，即金刚石薄膜和将金刚石与铜、铝等金属复合。

半导体封装基板：基板是裸芯片封装中热传导的关键环节。Al2O3陶瓷是目前产量最多、应用最广的陶瓷基片，但由于其热膨胀系数 (7.2×10-6/℃) 和介电常数 (9.7) 相对Si单晶而言偏高, 热导率 (15-35W/ (m·K) ) 仍然不够高, 导致Al2O3陶瓷基片并不适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。

因此, 随着微电子技术的发展，高密度组装、小型化特性愈发明显，组件热流密度越来越大，对新型基板材料的要求越来越高。开发高热导率、性能更为完善的基片材料成为大势所趋。随之高导热陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、金刚石等逐步进入市场之中。

其中，金刚石凭借高热导率、低热膨胀系数和良好的稳定性，逐渐成为新一代封装基板材料的关注焦点。通过将金刚石颗粒与Ag、Cu、Al等高导热金属基体复合，制备出的金刚石/金属基复合材料已初步展现出其在电子封装领域的巨大潜力。

虽然单一的金刚石不易制作成封装材料，且成本较高，但其优胜于其他陶瓷基板材料数十倍甚至上百倍的热导率，也让许多大厂纷纷投入研究。特别是在算力需求激增的当下，金刚石封装基板为高性能芯片的散热问题提供了创新解决方案，助力AI、数据中心等行业的快速发展。

微纳加工：第三代半导体材料如碳化硅、氮化镓加工困难，金刚石微粉及其产品因超硬特性成加工利器。

例如在碳化硅晶体的切割、研磨和抛光等环节，金刚石工具发挥了关键作用。此外，随着5G、物联网等技术的普及，消费电子行业对精密加工的需求日益增加，金刚石刀具和微粉制品为金属、陶瓷和脆性材料提供了高质量的精密表面处理方案，推动了行业的技术进步和产业升级。

此外，金刚石在光学窗口、BDD电极、量子科技等诸多领域颇具优势，被视为未来半导体材料的有力竞争者。

“钻石”芯片产业化，进展不断

目前，全球都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作。

Element Six赢得UWBGS项目

近日，Element Six（元素六）公司正在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高级研究计划局（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。

虽然制备的大尺寸金刚石晶圆可应用于热沉和光学领域，但在电子级半导体领域的商业化应用存在很多难题。比如大尺寸单晶金刚石的合成、剥离及研磨抛光的技术问题还有待进一步解决。

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，包括法国的Hiqute Diamond、日本Orbray、雷神公司，以及美国的斯坦福大学和普林斯顿大学。这些合作将晶体位错工程、射频氮化镓技术以及材料表面和体积处理的专业知识集成在一起，对于推动超宽带隙半导体技术的发展至关重要。

据悉，Element Six是钻石公司De Beers的子公司，总部位于英国伦敦，是单晶金刚石和多晶金刚石合成方面的领军企业，其在化学气相沉积（CVD）技术方面拥有丰富的经验。

Element Six对UWBGS计划的贡献将利用该公司在大面积CVD聚晶金刚石和高质量单晶(SC)金刚石合成方面的专业知识，实现4英寸设备级SC金刚石基板。

SC金刚石衬底是实现先进电子产品的关键，包括大功率射频开关、雷达和通信放大器、高压功率开关、极端环境的高温电子产品、深紫外LED和激光器，支撑着数十亿美元的系统市场。

Element Six能够生产出高质量且具有高度有序晶体结构的单晶金刚石晶圆。目前，SC金刚石衬底已用于CERN大型强子对撞机的监测系统，并帮助发现了希格斯玻色子粒子。Element Six与高功率半导体领导者 ABB 合作，实现了首款高压块状金刚石肖特基二极管。此外，Element Six最近在俄勒冈州波特兰市完成了先进 CVD 设施的建设和调试，该设施利用其核心技术，由可再生能源提供动力。

在多晶金刚石方面，Element Six的多晶金刚石晶片直径已超4英寸，被广泛应用于EUV 光刻中的光学窗口以及高功率密度Si和GaN半导体器件的热管理应用。

此外，在高压器件方面，Element Six与瑞士企业ABB合作，实现了首款高压块状金刚石肖特基二极管，展示了基于金刚石的半导体在改变功率电子领域中的潜力。