當今時代，半導體行業(yè)正處于一個轉型的關鍵時期，以硅為主導的半導體領域面臨著高功率密度、高頻、高溫、高輻射等條件瓶頸；第三代半導體順勢而起，以GaN和SiC為代表的新材料的發(fā)展推動著功率器件不斷向大功率、小型化、集成化和多功能方向前進，但散熱、能效等關鍵特性依舊是業(yè)界矢志不渝的追求方向。

       在追求極致性能與效率的時代，一場由金剛石引領的芯片革命正悄然興起。

       金剛石，指的就是還未經(jīng)打磨的鉆石原石。那么，作為一種闖入了大家視線中的新半導體材料，“鉆石”芯片究竟有何魅力？無限可能背后，進展與挑戰(zhàn)并存。

       “鉆石”芯片，魅力何在？

       被譽為“自然界最堅硬物質”的金剛石，不僅硬度驚人，還擁有卓越的導熱性能、極高的電子遷移率，擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優(yōu)異性能參數(shù)，以及其他優(yōu)異的物理特性。

       具體來看，金剛石半導體具有超寬禁帶(5.45eV)、高擊穿場強(10MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導率(2000W/m·k)等材料特性，以及優(yōu)異的器件品質因子(Johnson、Keyes、Baliga)，采用金剛石襯底可研制高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的“自熱效應”和“雪崩擊穿”等技術瓶頸。

       此外，金剛石擁有優(yōu)異的物理特性，在光學領域具有良好透光性和折射率，適用于光電器件的研發(fā)；電學方面，其絕緣性能和介電常數(shù)使其在復雜電路中發(fā)揮穩(wěn)定作用；機械性能方面，高強度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。

       這些特性使得金剛石在芯片制造領域展現(xiàn)出巨大潛力，常被用于高功率密度、高頻率電子器件的散熱。在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領域發(fā)展起到重要作用。金剛石半導體被認為是極具前景的新型半導體材料，被業(yè)界譽為“終極半導體材料”。

       通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)半導體的熱管理需求，而且這些設備的能源效率更高，并且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環(huán)境。

       例如，在電動汽車中，基于金剛石的功率電子器件可以實現(xiàn)更高效的功率轉換、延長電池壽命以及縮短充電時間；在電信領域，尤其是在5G及更高級別網(wǎng)絡的部署中，對高頻和高功率器件的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統(tǒng)，包括射頻開關、放大器和發(fā)射器；消費電子領域，單晶金剛石基板可以推動更小、更快、更高效的智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備組件的開發(fā)，從而帶來新的產品創(chuàng)新并提高消費電子市場的整體性能。

       據(jù)市場調研機構Virtuemarket數(shù)據(jù)指出，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年的預測復合年增長率為12.3%。特性優(yōu)勢和廣闊前景驅動下，金剛石在半導體產業(yè)鏈上的多個環(huán)節(jié)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝到微納加工，再到BDD電極及量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體行業(yè)的各個關鍵領域，推動技術創(chuàng)新與產業(yè)升級。

       產業(yè)化進程的加速推進

       全球范圍內，對金剛石半導體的研發(fā)和產業(yè)化工作正在如火如荼地進行。從Element Six贏得UWBGS項目，到華為積極布局金剛石半導體技術；從Diamond Foundry培育出全球首個單晶金剛石晶圓，到Advent Diamond在金剛石摻磷技術上的突破；再到法國Diamfab計劃在2025年實現(xiàn)4英寸金剛石晶圓的量產，以及日本、美國、韓國等國家的全面發(fā)力，金剛石半導體的產業(yè)化進程正以前所未有的速度向前推進。

       這些企業(yè)和研究機構的努力，不僅推動了金剛石半導體技術的不斷成熟，還促進了相關產業(yè)鏈的完善。從原材料供應、晶圓制備、器件設計到封裝測試，金剛石半導體產業(yè)鏈正在逐步形成，為未來的大規(guī)模應用奠定了堅實的基礎。

       從種種動向來看，目前業(yè)界對金剛石半導體的關注程度越高，優(yōu)勢資源不斷匯集，也加速了研發(fā)和產業(yè)化速度。這意味著“鉆石”晶圓時代的開始。

       總之，金剛石半導體具有優(yōu)于其他半導體材料的出色特性，如高熱導率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、光學透過性、化學穩(wěn)定性與抗輻射性等。目前業(yè)界正在向金剛石進一步邁進，并逐步進入金剛石多功能發(fā)展的轉型時期。

       未來，隨著大尺寸、高質量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發(fā)，有望使大規(guī)模集成電路和高速集成電路的發(fā)展進入一個新時代。

       寫在最后

       早在五六十年前，科學界就曾掀起研究金剛石半導體的熱潮，但時至今日，也未能大規(guī)模用上金剛石半導體所制造的器件。有工程師為此感嘆，金剛石或許將永遠處在半導體實用化的邊緣。

       誠然，金剛石在半導體領域具有顯著優(yōu)勢，但要實現(xiàn)金剛石芯片的大規(guī)模生產和應用，還面臨著諸多挑戰(zhàn)和限制，例如成本高、加工難度大、摻雜等技術工藝不成熟以及應用范圍有限等問題。

       盡管這一材料還有不少路要走，但已在半導體鏈中展現(xiàn)活力與應用潛力。我們相信，在各方的共同推動下，具備各種優(yōu)異特性的金剛石材料在未來將會得到進一步發(fā)展，幫助半導體材料領域邁出至關重要的一步。

       當然，新材料最終作用并非將以硅為代表的傳統(tǒng)材料拍死在沙灘上，而是作為一種互補，在其擅長的領域充分發(fā)揮作用。