金刚石半导体:从实验室走向工业现实的全球角逐

AI快讯6小时前发布 niko
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在半导体材料的探索进程中,金刚石正崭露头角,成为备受瞩目的“终极功率半导体材料”。曾经SiC废料用于制造莫桑钻,如今真正的“主角”金刚石,加速在半导体领域开拓新局。

传统硅器件在高温高热条件下效率逼近极限,SiC和GaN等材料虽有应用,但面对通信系统数据容量的激增,性能更佳的半导体需求迫切。金刚石凭借诸多优异物理特性脱颖而出,其带隙大、抗介电击穿能力强,迁移率高且功耗低,能在高温、高辐射环境稳定运行。作为绝缘体,其介电击穿强度是硅的33倍,带隙为硅的5.5倍,可在约5倍高温环境工作,理论上能处理约50,000倍电力。

金刚石半导体产业链

金刚石半导体的应用潜力巨大,通信卫星领域是其潜在的重要应用方向。通信卫星需高频率和高功率运行,早期的真空管因体积大、能量损失大效率低下,而金刚石半导体结构紧凑,能承受所需频率和输出,实现高效信号放大,且耐热、耐宇宙射线,可保障稳定运行。在核电领域,其对于制造能在恶劣环境下运行的模拟设备至关重要,量子计算领域也有其用武之地。

然而,金刚石半导体的生产面临诸多挑战。其硬度高,难以按电子设备精度要求研磨加工,长期使用还会变质,形成更大衬底难度大,成本也限制了商业化进程。即便如此,全球众多公司、大学和研究机构仍积极投身研究。

日本在金刚石半导体研究方面走在世界前列。Orbray公司于2021年采用异质外延法开发出2英寸金刚石晶圆量产技术,其创新的阶梯流动生长技术缓解了生长应力。2024年,Orbray与ElementSix合作,致力于提供高质量晶圆级单晶合成金刚石。佐贺大学2023年开发出全球首个采用金刚石半导体的电源电路,早稻田大学2024年报告了由金刚石制成的垂直MOSFET,漏电流超1A。基于此,初创公司PowerDiamond Systems积极推动成果转化,开发出能处理6.8A电流的金刚石元件。Ookuma DiamondDevice正在建造工厂,将大规模生产钻石半导体,应用于退役/耐受辐射装置等领域。此外,JTEC公司的等离子抛光设备和PAP工艺为金刚石加工带来新希望,丰田与电装合资的公司也与Orbray合作开发电动汽车垂直金刚石功率器件。

2英寸晶圆

美国近年来也加快了在金刚石半导体领域的步伐。DiamondFoundry于2023年创造出世界首个单晶钻石晶圆,并规划未来推动钻石材料在半导体行业的应用。DiamondQuanta在2024年宣布其专有的新型金刚石半导体制造和掺杂技术取得重大突破,其核心的统一钻石框架(UDF)方法为研究带来新思路。AdventDiamond正在开发金刚石二极管,已获美国国家科学基金会资助。伊利诺伊大学获得美国能源部高级研究计划署的资助,开发光学触发金刚石半导体开关器件。2025年初,美国两所大学发现掺硼钻石的新特性,为新型设备发展提供可能。

欧洲注重金刚石制造。DIAMFAB目标是到2026年将金刚石晶圆尺寸拓展至4英寸,已获首轮融资并建立试验生产线。欧盟委员会拨款支持DiamondFoundry Europe建立新工厂,生产半导体级合成钻石毛坯。Element Six作为衬底材料供应商,为半导体和电子制造提供广泛解决方案。

中国在金刚石半导体领域同样成果丰硕。西安交大研究团队开发出2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底并实现批量化,荣获相关进展奖项。北京大学东莞光电研究院等联合团队开发出批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。企业方面,河南四方达、化合积电、力量钻石等积极推动金刚石半导体的产业化。

随着金刚石半导体材料前景渐显,各国在技术研发与市场竞争中发力,金刚石正从实验室设想转变为工业现实。

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