近几年来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）已经成功登上了半导体材料的舞台，凭借其卓越的节能和小型化优势，掀起了一场技术革新。然而，如果说它们是“明日之星”，那么金刚石半导体材料无疑将成为未来的王者，因为金刚石的硬度、声速、热导率、杨氏模量等物理特性在所有材料中都首屈一指。

令人意外的是，几年前，SiC的废料还被用来制造莫桑钻，凭借高性价比迅速赢得了市场的青睐。如今，真正的“钻石”——金刚石，正加速迈向半导体领域，随着全球各国的积极布局和技术突破，金刚石的产业链正在日益建立起来，如下图所示。这一传奇材料的半导体化之路已悄然铺开，未来可期。

金刚石半导体产业链（图源：Yole）

终极功率半导体材料：金刚石

众所周知，在高温和高热的条件下，硅器件的效率正日益达到极限。因而探索出了SiC和GaN。虽然由碳化硅、氮化镓和其他材料制成的坚固而强大的半导体广泛用于处理高电压和高电流的电动汽车、轨道车和 5G 基站，但通信系统的数据容量不断增加，迫切需要性能更佳的半导体。

为金刚石因其优异的物理特性而常被称为“终极功率半导体材料”。其中包括：1）带隙大，抗介电击穿能力强。2）迁移率（开关速度）高，功耗低。3）在高温、高辐射环境下也能稳定运行。金刚石特别适合用于功率半导体，因为作为绝缘体，金刚石的介电击穿强度是硅的33倍，远高于SiC和GaN。带隙是硅的5.5倍，带隙是指固体材料中不存在电子态的能量范围。带隙越大，发生介电击穿的可能性就越小。金刚石功率半导体还可在大约 5 倍高温的环境中工作，理论上可处理大约 50,000 倍的电力。

以硅为1的相对值进行比较

（来源：orbray公司）

金刚石在在高功率、高频率和高温环境下，具有比硅和碳化硅更为优越的性能。

（来源：ookuma dimond device公司）

金刚石半导体的一个潜在应用领域是通信卫星。通信卫星通过无线电波与地面进行通信，需要高频率和高功率才能有效运行。早期的通信卫星使用真空管。然而，真空管由于体积大、能量损失大而效率低下。尽管人们一直期望用半导体取代真空管，但外太空的恶劣环境可能会干扰真空管的运行。金刚石半导体提供了一种潜在的解决方案，因为它们结构紧凑，能够承受通信卫星所需的频率和输出，从而实现高效的信号放大。它们还耐热、耐宇宙射线，从而实现稳定运行。

另外一个应用是核电领域，金刚石半导体对于制造能够在核事故、退役工作和基站应用中遇到的高温和放射性条件（耐恶劣环境）等恶劣环境下运行的模拟设备至关重要。再就是量子计算领域等等。

作为终极功率半导体材料，金刚石的生产也是极具挑战的。金刚石的硬度使其难以以电子设备所需的精度进行研磨和加工。金刚石在半导体中长期使用时也会变质。尝试用金刚石形成更大的衬底是一项特别的挑战，而且成本也阻碍了其商业化。

尽管如此，业界还是有不少公司、大学和研究机构投身于金刚石半导体材料的研究，而且已经有不少公司取得了不错的进展，为金刚石的工业化铺平道路。

日本走在前列

在金刚石半导体材料的研究进展方面，日本无疑处于全球领先地位。从金刚石衬底的研发，到器件的设计，再到设备的制造，日本已经均有所布局，产业链逐步完善。

Orbray公司量产2英寸金刚石衬底晶圆

早在2021年，总部位于东京的精密部件制造商 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。Orbray成立于1939年，以制造电表用宝石轴承起家，核心技术是宝石加工技术（切割、研磨和抛光）目前，该公司生产和销售精密宝石零件、直流无铁心马达、光纤元件和医疗器械。特别是在合成钻石和蓝宝石的培育技术方面，Orbray 取得了世界上最先进的成果。

2英寸晶圆（来源：Orbray）

Orbray开发了一种创新的阶梯流动生长技术，用于生长符合工业应用需求的2英寸（50毫米）直径钻石晶体。充分利用蓝宝石基底技术，精确控制基蓝宝石晶圆。倾斜的Ir/蓝宝石表面使得钻石晶体沿水平方向生长，从而缓解了生长过程中的应力积累。现在，该公司正在向4英寸的衬底晶圆目标奋进，计划在 2029 年上市，旨在筹集最多100亿日元，加强其秋田工厂的生产。他们所生产的钻石晶圆被命名为KENZAN Diamond。

Orbray公司的阶梯流生长技术

（来源：Orbray）

2024年6月，Orbray与Element Six宣布建立战略合作，以提供世界上最高质量的晶圆级单晶 (SC) 合成金刚石。Element Six 是第一家建立和开发化学气相沉积 (CVD) 平台的公司，该平台可实现大面积、均匀的多晶金刚石生长，直径可达 150 毫米，后来，它又率先开发和生产电子级 SC 金刚石，并于 21 世纪将其首批 SC 产品系列商业化。最近，E6 在俄勒冈州格雷舍姆开设了一家世界一流的CVD工厂，实现了高品质 SC 合成金刚石产品的可持续、规模化生产。

佐贺大学开发出金刚石半导体电路

2023年，日本佐贺大学（Saga University）团队成功开发出全球首个采用金刚石半导体的电源电路。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 合作实现的，重点是用于太空通信的高频元件。JAXA 与佐贺大学在这些项目上的合作凸显了金刚石半导体的吸引力，不仅因为它们的耐用性，还因为它们能够使卫星和航天器系统实现更高效的电源管理，这是可靠性至关重要的太空探索任务中的关键因素。

采用金刚石半导体的电源电路

（Saga University）

用金刚石制成的P型垂直MOSFET

2024年8月23日，日本早稻田大学报告了一种由金刚石制成的垂直MOSFET，其漏电流实现了超过1 A。他们在论文中指出，p 型MOSFET是实现高速度运行和小型化栅驱动电路所需互补反相器和转换器的关键器件。尽管 SiC、GaN 和 Ga₂O₃等宽带隙半导体在n通道 MOSFET 中表现出色，但它们在p型应用中不理想。而金刚石因其高击穿电场（10 MV/cm）、高热导率（22 W/cm·K）、高空穴迁移率（2000 至 3800 cm2/V·s），以及能够在其表面诱导二维空穴气（2DHG）等特性而成为p通道功率器件的理想材料。

在Nobutaka Oi等人的研究中，在 VDS=−20 V条件下，最大漏电流达到1.5 A，并在 VDS = –10 V 时获得了高达 9.5 个数量级的开关比。对于栅宽为 2 mm 的器件，其特定导通电阻和漏电流密度分别为 118 mΩ\cdotpmm和85 mA/mm。通过连接更多单元（或器件）并降低源电极电阻等寄生电阻，可以进一步提高最大漏电流。[Nobutaka Oi 等人，IEEE Electron Device Letters，2024 年 8 月 7 日在线发表]

图（a）栅极宽度为5毫米器件的光学显微镜图像（S：源极，G：栅极）（b）虚线区域的横截面图像。

（来源：IEEE）

图(a)显示了在单片基板上通过并联连接两个器件（器件B，栅宽10 mm）的ID-VDS特性曲线，在VDS=−20 V和VGS=−20 V 时，最大漏电流达到1.5 A；图 (b) 展示了在VDS=−20 V时单个或两个器件（包括器件 A和器件 B）的漏电流特性。（来源：IEEE）

基于早稻田大学教授Hiroshi Kawarada教授的开创性工作，初创公司Power Diamond Systems致力于实现这些成果技术的转化。该公司于2024年12月开发出一种金刚石元件，能够处理世界领先的 6.8A电流，。该公司计划在几年内开始运送样品。

由北海道大学和日本产业技术综合研究所 (AIST) 与2022年3月共同创立的初创企业Ookuma Diamond Device，正在福岛县建造一家工厂，将大规模生产钻石半导体，主要商业集中在退役/耐受辐射装置、卫星通信及雷达业务、基站业务（超5G）。该工厂将于 2026 财年开始运营，目标是将半导体安装在用于清除受灾福岛第一核电站残骸的设备中。这些核废料是2011年福岛核事故中反应堆结构和核燃料熔化产生的高放射性残留物，只有钻石半导体等耐高辐射的设备才能处理它们。

抛光设备公司

人造金刚石在制造和抛光上尚面临高成本和加工难度。随着人造金刚石制造和抛光技术的进步，预计将有助于解决这些问题。

生产用于研究设施的精密设备的JTEC公司拥有利用等离子抛光高硬度材料表面的设备，适用于单晶金刚石、SiC、GaN 和其他硬度材料。该公司已经成功高效且无损地抛光了世界领先尺寸的单晶金刚石基板，并已接到用于金刚石材料加工的开发设备的订单。

PAP（等离子辅助抛光）工艺是一种独特的抛光工艺，利用等离子对工件/密封件的表面进行改性，专门用于抛光钻石等硬质材料。与使用传统钻石磨料等的机械抛光相比，它效率更高，并且可获得损伤和缺陷更少的表面。预计它将被用于未来作为功率器件备受关注的钻石基板的加工。

JTEC的PA1100是用于金刚石抛光的设备

（来源：JTEC）

金刚石吸引车企的关注

一些大型公司也开始关注金刚石半导体并积极投资。由丰田汽车与电装合资成立的汽车半导体研究公司通Mirise Technologies，于2023年5月，与Orbray合作开发电动汽车垂直金刚石功率器件。

该项目为期三年，在此次研究合作中，Orbray 将负责开发 p 型导电金刚石衬底，而 MIRISE 将负责开发高压操作器件结构，以证明垂直金刚石功率器件的可行性。项目结束时，两家公司计划讨论下一阶段的合作，例如进一步研发。

美国的步伐加快

美国近几年来陆续诞生了一些金刚石半导体初创公司，这些公司大多利用多年的学术研发专业知识来推动半导体金刚石器件的商业化。

Diamond Foundry开发出世界首个单晶钻石晶圆

2023年10月2日，一家名为Diamond Foundry（简称DF）的公司创造出了世界上首个单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。该公司的创始团队由麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学的工程师组成。按照该公司的规划，在2023年以后，他们计划在每个芯片后安装一颗单晶钻石用于散热，到2033年以后，推动钻石材料在半导体行业的应用，如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。

（来源：DF官网）

Diamond Quanta在掺杂上实现突破

2024年6月6日，美国初创公司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了重大突破。该公司成立于 2024 年 1 月，总部位于加利福尼亚。该公司还于去年9月被选中加入Plug and Play著名的半导体和光子加速器计划。

虽然这家公司成立才1年但是Diamond Quanta首席执行官兼创始人Adam KhanAdam Khan却是钻石半导体技术的先驱。他在实验室培育钻石技术领域工作了15 年。Diamond Quanta是Adam创办的第二家钻石半导体初创公司，第一家是 Akhan Semiconductor，专注于薄膜纳米晶体钻石，他在创新实验室生产的钻石薄膜以用于各种应用方面发挥了关键作用，例如使用 Miraj Diamond Glass增强智能手机屏幕和镜头，使用Miraj Diamond Optics提高飞机的生存能力。

Diamond Quanta的目标是克服与成功掺杂金刚石相关的挑战以及目前与传统方法相关的限制缺陷和电荷传输问题。金刚石中的 N 型掺杂会引起几何变形，通过消除退化电子态来降低金刚石的体积能量。这些变形会显著影响电子态，从而影响传输特性。电场中的载流子利用与空位或缺陷相关的局部陷阱态，这种机制称为陷阱辅助跳跃或可变范围跳跃。由于强局部化和缺陷产生的不规则势场散射增加，载流子的迁移率较低，与完美晶格相比，载流子速度和迁移率降低。解决这些挑战对于充分发挥金刚石基电子设备的潜力至关重要。