今年 3 月，新疆潤晶科技有限公司投資建設的金剛石生產(chǎn)線在哈密高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)南部循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園迎來首批產(chǎn)品下線。這一具有里程碑意義的事件，不僅標志著新疆首條金剛石生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，更拉開了我國新疆地區(qū)乃至整個西部地區(qū)金剛石產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的大幕。

       1、被稱為終極半導體的金剛石

       長期以來，金剛石因其審美價值而受到重視。但如今，在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石作為一種新型半導體材料闖入了大家的視線當中，并引發(fā)了研究人員和行業(yè)專家的關注。

       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（22 W/cmK）等材料特性，遠超第三代半導體材料 GaN 和 SiC。并且它還擁有優(yōu)異的器件品質因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯底能夠研制出適用于高溫、高頻、大功率以及抗輻照環(huán)境的電子器件，有效克服傳統(tǒng)器件面臨的 “自熱效應” 和 “雪崩擊穿” 等技術難題，在 5G/6G 通信、微波 / 毫米波集成電路、探測與傳感等前沿領域發(fā)揮著至關重要的作用。

       值得一提的是，金剛石具有高達 80meV 的激子束縛能，這使其在室溫下就能實現(xiàn)高強度的自由激子發(fā)射，發(fā)光波長約為 235nm。這一特性讓它在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面極具潛力，同時在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研制中也占據(jù)重要地位。

       使用金剛石電子器件優(yōu)勢明顯，它不僅能夠大幅減輕傳統(tǒng)半導體的熱管理壓力，而且能源利用效率更高，還能承受更高的擊穿電壓，適應惡劣的工作環(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(chǎn)品創(chuàng)新并提高消費電子市場的整體性能。

       在特性優(yōu)勢和廣闊應用前景驅動下，金剛石在半導體產(chǎn)業(yè)鏈的多個環(huán)節(jié)都展現(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，金剛石正穩(wěn)步滲透到半導體行業(yè)的各個關鍵領域，成為推動技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級的重要力量。

       2、金剛石產(chǎn)業(yè)化近在眉睫

       當前，金剛石半導體正處于從研發(fā)走向實際應用的關鍵階段，雖然在導熱襯底、輻照探測器等領域已取得一定的應用成果，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。高質量半導體金剛石材料的制備、摻雜、加工以及器件工藝等方面的科學和技術問題尚未得到徹底解決。金剛石導電性能差且難以有效調控，晶片尺寸較小，這些問題嚴重制約了其半導體技術的進一步發(fā)展。此外，金剛石半導體電子器件的關鍵技術尚未取得實質性突破，應用市場也有待進一步開拓。

       電子級金剛石產(chǎn)業(yè)化面臨著諸多亟待攻克的難題：首先，在金剛石半導體級材料生長設備方面，需要構建新型多目標微波諧振腔優(yōu)化方法，針對大尺寸、高均勻度及高等離子體密度對設備進行優(yōu)化，確保在大尺寸條件下實現(xiàn)高速、高品質的生長；其次，實現(xiàn)金剛石的高效體摻雜激活以及室溫高性能 pn 結，仍然是全球范圍內尚未解決的難題；再者，金剛石屬于超硬材料，要使其達到硅或碳化硅拋光片的面型和粗糙度標準，滿足“襯底級” 要求，金剛石的磨削加工技術還有待大力突破。氫終端金剛石雖已完成微波單片集成電路（MMIC）功能驗證，但存在遷移率低和穩(wěn)定性不足的問題；硅終端金剛石憑借更高的電導率和穩(wěn)定性展現(xiàn)出更大的商用潛力，然而其復雜的工藝目前仍處于研究初期。

       大尺寸的金剛石襯底材料較為稀缺，雖然可以通過異質外延襯底、襯底拼接等方法獲取大尺寸外延材料，但內部缺陷較多。例如，目前 4 - 8 英寸的金剛石異質外延晶圓位錯密度接近 10?cm?2 ，這對器件的性能和良品率產(chǎn)生了嚴重影響。此外，金剛石半導體的制備成本居高不下，與硅相比差距較大，這在很大程度上限制了其在大規(guī)模商業(yè)領域的應用。不過，令人振奮的是，相關研究在近期取得了重大進展。

       2024 年 12 月 19 日，北京大學研究團隊開創(chuàng)性地研發(fā)出能規(guī)模化生產(chǎn)大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜的新技術。這一突破對于金剛石在半導體領域的應用意義非凡，大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜可應用于柔性電子器件、高功率射頻器件等多個領域，極大地拓展了金剛石的應用范圍。

       與此同時，中國科研團隊在高溫高壓條件下發(fā)現(xiàn)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并首次成功合成出高質量六方金剛石塊材。研究發(fā)現(xiàn)，六方金剛石具有比立方金剛石更高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性。這一成果不僅為純相六方金剛石的人工合成提供了有效途徑，有力證明了其獨立存在，還為超硬材料和新型碳材料家族增添了一位性能卓越的新成員，為突破立方金剛石的應用局限帶來了新的可能。

       高效摻雜同樣是金剛石半導體材料面臨的一大挑戰(zhàn)。在 CMOS 集成電路制造過程中，如同傳統(tǒng)硅電子器件一樣，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET。

       日本國立材料研究所（NIMS）的一個研究小組開發(fā)出了世界上第一個n 通道金剛石 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。這一突破標志著實現(xiàn)基于金剛石的 CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路邁出了重要一步，使其能夠在極端環(huán)境中使用，并推動了基于金剛石的電力電子的發(fā)展。該國立材料科學研究院的研究團隊開發(fā)出一種技術，通過在金剛石中摻雜低濃度的磷，在原子水平上生長出具有光滑平坦梯級的高質量單晶n型金剛石半導體。利用該技術，該團隊在世界上首次成功制造出n溝道金剛石MOSFET。

       此外，有專家預測，未來3—5 年 4 英寸金剛石襯底有望實現(xiàn)量產(chǎn)，其優(yōu)異的電導特性有望破解寬禁帶半導體缺乏高效 p 型器件這一全球難題。

       隨著各項技術不斷取得突破，金剛石半導體產(chǎn)業(yè)化已迫在眉睫。

       我國在這一領域也不甘落后。西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心實現(xiàn)了2英寸金剛石的產(chǎn)業(yè)化。在國內率先實現(xiàn)了2英寸單晶金剛石的制備技術，填補了國內空白，目前的指標已經(jīng)優(yōu)于國外最好水平，生產(chǎn)的單晶金剛石材料已經(jīng)廣泛應用于我國5g通訊，為高頻、 大功率探測企業(yè)提供了核心材料與技術支撐。近年來，西安交大研究團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，還成功實現(xiàn)2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化。

       3、西部金剛石產(chǎn)業(yè)布局

       隨著技術逐漸突破，各地紛紛加快布局金剛石相關項目，尤其是電子級金剛石項目。在新疆等西部地區(qū)，相關項目呈現(xiàn)出密集上馬的態(tài)勢。

       3 月 3 日，新疆生產(chǎn)建設兵團第十師北屯市與北京卓融和遠科技發(fā)展有限公司正式簽署半導體材料項目合作協(xié)議。該項目總投資 40 億元，將落戶北屯經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，專注于第三代半導體新材料的研發(fā)與生產(chǎn)，重點發(fā)展金剛石、碳化硅等寬禁帶半導體材料。

       3 月 4 日，新疆潤晶科技有限公司投資建設的金剛石生產(chǎn)線首批產(chǎn)品下線，成為新疆首條投產(chǎn)的金剛石生產(chǎn)線。按照規(guī)劃，該項目產(chǎn)能將達到 10 億克拉（即 200 噸）。目前，該公司正聯(lián)合地方政府規(guī)劃建設占地 500 畝的金剛石產(chǎn)業(yè)園，已吸引 12 家上下游企業(yè)達成入駐意向，涵蓋設備制造、精密加工等配套環(huán)節(jié)。計劃在三年內打造從原材料到終端產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)鏈，帶動哈密新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破 50 億元。

       3月18日，新疆碳基芯材科技有限公司總投資超20億元的年產(chǎn)150萬克拉金剛石項目簽約落地，以“硬科技+綠動能”雙輪驅動，劍指國內高端工業(yè)金剛石35%市場份額，年產(chǎn)值預計突破12億元。該項目采用全球領先的MPCVD-Ⅲ型智能沉積系統(tǒng)，單爐生長速率高達30μm/h，較傳統(tǒng)工藝提升5倍。這一技術突破直接指向電子級金剛石的核心痛點——生長效率與純度。目前，項目一期規(guī)劃建設20臺工業(yè)級沉積設備，年產(chǎn)50萬克拉純度達99.999%（5N級）的電子級金剛石，并重點攻關8英寸單晶襯底技術，為半導體領域提供“終極襯底”材料。項目二期將開發(fā)金剛石量子傳感器，應用于北斗導航芯片抗輻射封裝。金剛石中氮空位（NV色心）的量子特性，可大幅提升導航系統(tǒng)在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。項目三期將聯(lián)合中科院破局功率器件，建設金剛石基GaN功率器件中試線，解決5G基站、新能源汽車等領域的高頻高壓器件散熱難題。

       4月9日，總投資4.7億元的新疆臻星新材料科技有限公司木壘12.55萬克拉人造金剛石項目正式開工建設。此項目占地60畝，采用國際領先的化學氣相沉積（CVD）技術。該技術憑借高效、環(huán)保、低成本以及能夠生產(chǎn)大尺寸產(chǎn)品的突出優(yōu)勢，可實現(xiàn)大尺寸、高純度金剛石單晶的大規(guī)模量產(chǎn)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質量更是達到了國際領先水準。據(jù)了解，該項目建設周期預計6個月，2025年10月竣工。項目建成后，一期預計實現(xiàn)年利潤總額1億元。產(chǎn)品主要聚焦于高精度機械加工工具、半導體熱沉片、航空航等核心材料領域，深度融入新能源汽車、芯片制造、國防軍工等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。

       此外，還有一批相關項目正在審批中。新疆之所以密集布局金剛石相關項目，主要在于產(chǎn)業(yè)驅動，包括石油鉆探、西電東送等。

       目前新疆新能源產(chǎn)業(yè)體系已構建成型，綠色能源正源源不斷地向外輸出，而這有賴于超高壓輸電。而金剛石半導體憑借超寬禁帶、高擊穿場強、高載流子飽和漂移速度、高熱導率等材料特性，能提供比第三代半導體更優(yōu)異的解決方案。

       此外，在石油鉆探領域需要超硬材料作為鉆頭。而金剛石可以用于各類鉆頭的涂塑，增加鉆頭的硬度。以金剛石成品生產(chǎn)為牽引，可以形成包括石墨開采、刀具加工、金剛石和鉆石加工在內的全行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。而且金剛石還可以用于制造量子傳感器，在石油勘探過程中，量子重力儀和磁力儀（一種量子傳感器的應用）可用于高精度地質結構探測，提高石油勘探的準確性和效率，降低勘探成本。