金剛石半導(dǎo)體之爭

作者：鵬程

近年來，在半導(dǎo)體行業(yè)中，金剛石逐漸成為了關(guān)注熱點。

為了實現(xiàn)綠色低碳的目標，過去幾年中，半導(dǎo)體行業(yè)正在不斷追求更高效、更強大的半導(dǎo)體器件。傳統(tǒng)硅材料雖然被廣泛使用，但在效率方面正日益逼近其極限，尤其是在高溫和高壓條件下。氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)與發(fā)展，讓行業(yè)突破了硅的限制，開發(fā)出更高效、更可持續(xù)的技術(shù)，如今這些材料在可再生能源系統(tǒng)、電動汽車和其他減少碳排放的技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，探索并不止于此。

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

?01、“終極半導(dǎo)體材料”前景廣闊

金剛石是集優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等特性于一身的超寬禁帶半導(dǎo)體，被譽為“終極半導(dǎo)體材料”、“終極室溫量子材料”，作為具有獨特物理化學(xué)特性的新型材料，未來應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

金剛石半導(dǎo)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(dǎo)率（22 W/cmK）等材料特性，遠遠高于第三代半導(dǎo)體材料 GaN 和 SiC，以及優(yōu)異的器件品質(zhì)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(yīng)”和“雪崩擊穿”等技術(shù)瓶頸，在5G/6G通信，微波/毫米波集成電路、探測與傳感等領(lǐng)域發(fā)展起到重要作用。

另外由于金剛石具有很大的激子束縛能（80meV），使其在室溫下可實現(xiàn)高強度的自由激子發(fā)射（發(fā)光波長約為 235nm），在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面具有較大的潛力，其在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研制中也發(fā)揮重要作用。通過使用金剛石電子器件，不僅可以減輕傳統(tǒng)半導(dǎo)體的熱管理需求，而且這些設(shè)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(zhuǎn)換、延長電池壽命以及縮短充電時間；在電信領(lǐng)域，尤其是在5G及更高級別網(wǎng)絡(luò)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(guān)、放大器和發(fā)射器；消費電子領(lǐng)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(shè)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。

據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Virtuemarket數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場價值為1.51億美元，預(yù)計到2030年底市場規(guī)模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測復(fù)合年增長率為12.3%。其中，在中國、日本和韓國等國家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長的需求的推動下，亞太地區(qū)預(yù)計將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場，到2023年預(yù)計將占全球收入份額的40%以上。

特性優(yōu)勢和廣闊前景驅(qū)動下，金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)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(yīng)用，金剛石正逐步滲透到半導(dǎo)體行業(yè)的各個關(guān)鍵領(lǐng)域，推動技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級。不過，目前金剛石半導(dǎo)體材料在生長方面仍然存在著一些突出的問題。

?02、中美日角逐金剛石半導(dǎo)體

金剛石的硬度使其難以以電子設(shè)備所需的精度進行研磨和加工。金剛石在半導(dǎo)體中長期使用時也會變質(zhì)。嘗試用金剛石形成更大的基板是一項特別的挑戰(zhàn)，而成本阻礙了其商業(yè)化。但經(jīng)過過去幾年的長足進步，金剛石半導(dǎo)體預(yù)計將在明年至2030年間進入商業(yè)化階段。

日本廠商在該研發(fā)領(lǐng)域進展較快。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省提供了“自立與回歸支持企業(yè)選址補助金”，以支持在特定地區(qū)（如福島縣避難區(qū)）建設(shè)新工廠等設(shè)施的企業(yè)。這一補貼為金剛石半導(dǎo)體工廠的建設(shè)提供了資金支持?？偛课挥跂|京的精密元件制造商Orbray已開發(fā)出大規(guī)模生產(chǎn)2英寸金剛石晶圓的技術(shù)，他們在藍寶石襯底上制成2英寸的單晶圓，突破了之前1英寸的極限。該公司預(yù)計很快將開發(fā)出4英寸晶圓。

以佐賀大學(xué)理工學(xué)部教授加須誠（半導(dǎo)體工學(xué)）為首的研究小組，在世界上首次成功開發(fā)出使用金剛石的半導(dǎo)體電源電路。證明了迄今為止被認為困難的高速開關(guān)和長時間運行是可能的。如果該電源電路能夠投入實際使用，有望應(yīng)用于下一代通信標準“6G”、量子計算機等最新技術(shù)。東京的一家初創(chuàng)公司 Power Diamond Systems 開發(fā)出一種金剛石元件，能夠處理世界領(lǐng)先的 6.8 安培電流。該公司計劃在幾年內(nèi)開始運送樣品。

北海道另一家初創(chuàng)公司大熊金剛石設(shè)備株式會社 (Ookuma Diamond Device) 在Pre-A輪融資中，籌集了包括債務(wù)融資在內(nèi)的約40億日元，正在福島縣建造一家工廠，將大規(guī)模生產(chǎn)鉆石半導(dǎo)體，目標是在 2026 年 3 月開始運營。金剛石半導(dǎo)體可以承受高溫和高輻射，因此有望用于東京電力公司福島第一核電站的退役工作。據(jù)該公司稱，這是世界上第一家大規(guī)模生產(chǎn)工廠。

除了日本，美國也積極投入在金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)和商業(yè)化。去年11月，美國能源部宣布向多個項目提供資助，用于開發(fā)下一代半導(dǎo)體技術(shù)，其中包括金剛石半導(dǎo)體。例如，伊利諾伊大學(xué)獲得了數(shù)百萬美元的資助，用于開發(fā)光觸發(fā)金剛石半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備和打造高功率金剛石光電設(shè)備等項目。

美國在金剛石半導(dǎo)體的制備技術(shù)方面取得了顯著進展。伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員開發(fā)出了一種具有最高擊穿電壓和最低漏電流的金剛石半導(dǎo)體器件，凸顯了金剛石半導(dǎo)體在電網(wǎng)及其他高壓應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。戴比爾斯集團旗下，以開發(fā)化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石技術(shù)和器件聞名的合成金剛石材料公司Element Six（元素六）宣布，公司將領(lǐng)導(dǎo)一個新的美國國防部高級研究計劃局（DARPA）項目：UWBGS（超寬禁帶半導(dǎo)體）——元素六及其合作伙伴將開發(fā)4英寸單晶金剛石材料，比目前常規(guī)可用的材料大10倍以上，以加速關(guān)鍵的電子技術(shù)。

此外，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）已委托雷神（Raytheon）公司開發(fā)基于人造金剛石和氮化鋁（AlN）的超寬帶隙半導(dǎo)體，以確保美國的軍事裝備生產(chǎn)。根據(jù)DARPA的合同要求，雷神公司的先進技術(shù)團隊將分階段推進這一項目。

在第一階段，團隊將專注于開發(fā)基于金剛石和氮化鋁的半導(dǎo)體薄膜，為后續(xù)的應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。第二階段則將致力于研發(fā)和改進金剛石和氮化鋁技術(shù)，以支持更大直徑的晶圓生產(chǎn)，特別是針對傳感器應(yīng)用的需求。這兩個階段的工作必須在三年內(nèi)完成。

我國在這一領(lǐng)域也不甘落后。西安交大寬禁帶半導(dǎo)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(nèi)率先實現(xiàn)了2英寸單晶金剛石的制備技術(shù)，填補了國內(nèi)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(yīng)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(shù)支撐。近年來，西安交大研究團隊采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，還成功實現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化。

今年10月，河南科之誠第三代半導(dǎo)體碳基芯片有限公司宣布其金剛石晶圓產(chǎn)線正式投產(chǎn)，并發(fā)布了首款產(chǎn)品——3.5GHz金剛石基聲表面波高頻濾波器，標志著這一采用全新技術(shù)路線終于從實驗室走到了生產(chǎn)線。

?03、意在避開中國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的原料管制

先進的功率芯片和射頻放大器依賴于氮化鎵 （GaN） 等寬帶隙半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料，但是中國控制著大部分的鎵的供應(yīng)。去年七月份，商務(wù)部和海關(guān)總署發(fā)布公告，決定對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制，自2023年8月1日起正式實施。

中國通過出口許可制，可以厘清這些關(guān)鍵金屬出口的最終用戶和用途，以規(guī)避危害國家安全和利益的風(fēng)險。從產(chǎn)量來看，中國產(chǎn)量占比全球鎵產(chǎn)量最高。德國和哈薩克斯坦分別于2016年和2013年停止了鎵生產(chǎn)。（2021年德國宣布將在年底前重啟初級鎵生產(chǎn)）， 匈牙利和烏克蘭分別于 2015 年和 2019 年停止鎵生產(chǎn)。鎵金屬通常被歸類為“小金屬”，在自然界中通常不會單獨發(fā)現(xiàn)，而是作為精煉廠的副產(chǎn)品以小濃度生產(chǎn)，這些精煉廠專注于鋅或氧化鋁等其他更主流的原材料。其他國家如果需要重啟鎵金屬的生產(chǎn)，需要構(gòu)建巨大的產(chǎn)業(yè)鏈，成本巨大，得不償失。憑借其 3.4 eV 帶隙，GaN 已經(jīng)成為高功率和高頻半導(dǎo)體的領(lǐng)先材料。

但是人造金剛石有可能在高頻性能、高電子遷移率、極端熱管理、更高功率處理和耐用性至關(guān)重要的應(yīng)用中超越 GaN 的能力（其帶隙約為 5.5 eV）。因此，金剛石的產(chǎn)業(yè)化受到了美國日本燈國家的關(guān)注。然而，人造金剛石是一種新興的半導(dǎo)體材料，其大規(guī)模生產(chǎn)仍然存在挑戰(zhàn)。美國軍方依靠氮化鎵的特性來有效傳輸開發(fā)中的最先進雷達的功率。氮化鎵還被用于雷神公司正在制造的愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的替代品。只有實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體的突破，美國和日本才有希望避開中國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的材料優(yōu)勢。