中國粉體網(wǎng)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(yōu)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(yè)譽為“終極半導體材料”。
金剛石半導體，有何優(yōu)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(yōu)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(shù)等優(yōu)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(huán)境中運行。金剛石通過摻雜等方式可呈現(xiàn)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(shù)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(yōu)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(tǒng)中均具有廣泛的應用前景。
根據(jù)Virtuemarket的數(shù)據(jù)，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(guī)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(yè)不斷增長的需求的推動下，亞太地區(qū)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(zhàn)
金剛石半導體材料雖優(yōu)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(chǎn)應用方面的問題，不少公司都在努力攻關金剛石量產(chǎn)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(chǎn)出4英寸、6英寸的晶圓。2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn)“全球品質最高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現(xiàn)其對工業(yè)重視及布局領先性。
“Orbray”研發(fā)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(chǎn)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(xiàn)高電流密度和擊穿電場，超越SiC等現(xiàn)有材料，計劃2025年實現(xiàn)4英寸晶圓生產(chǎn)。
圖源：Diamfab官網(wǎng)
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(xiàn)鉆石合成，該制備方法有望為金剛石薄膜的生產(chǎn)開創(chuàng)一條成本更低的道路。
盡管全球在金剛石量產(chǎn)商用上均有挑戰(zhàn)，但金剛石材料的優(yōu)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(chǎn)量高，但在功能性高端領域及材料開發(fā)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(tài)。
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(jīng)10年潛心研發(fā)，目前已形成具有自主知識產(chǎn)權的金剛石半導體外延設備研發(fā)、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(chǎn)業(yè)發(fā)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(chuàng)新和發(fā)展，為各行各業(yè)帶來了更廣泛的應用前景。2024年12月24日，中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業(yè)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(xiàn)金剛石半導體前沿技術、材料和實踐有機結合的產(chǎn)業(yè)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(fā)，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(fā)明專利100余項，發(fā)表SCI收錄論文120余篇。
參考來源：
1.西安交大官網(wǎng)，海光智能科技，中國粉體網(wǎng)
2.半導體行業(yè)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(wǎng)編輯整理/輕言）
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