金剛石具有比硅速度快、功耗小、質量輕、厚度薄等諸多優點，在半導體領域具有巨大前景。

早在2000年之前，阿貢國家實驗室已經就金剛石化學氣相淀積（CVD）展開試驗，并成立了先進金剛石技術公司。該公司和創新微技術公司合作制造出金剛石微機電系統，并促進了SP3金剛石技術等金剛石晶圓專業公司生產用于淀積金剛石晶體的CVD設備。

金剛石半導體具有優于其他半導體材料的出色特性，因此被譽為“終極功率半導體”。基于業界長期的研發活動，如今金剛石半導體已經開始逐步邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長的時間，不過已經有報道指出，最快在數年內，將會出現金剛石材質的半導體試作樣品。業界對金剛石半導體的關注程度越高，越易于匯集優勢資源、加速研發速度。

金剛石半導體材料的導電機理

半導體材料的導電機理是通過電子和空穴這兩種載流子來實現的，有N型和P型之分。金剛石作為IV族元素，其晶體結構可看做有兩個面心立方結構沿體對角線平移1/4晶格常數套構而成。碳原子以sp3雜化軌道與鄰近的4個碳原子以共價鍵結合，形成正四面體結構，可以通過向金剛石中摻雜適當的元素從而改變其電學性能，使其可以作為半導體材料廣泛應用于電學器件中。

金剛石的摻雜包括p型摻雜和n型摻雜。含有雜質的天然金剛石呈現p型導電特性，在工業生產中，也可以通過離子注入和CVD法向金剛石中摻入硼元素來實現。然而自然界中不存在n型導電的天然金剛石，而且晶格缺陷會補償載流子，使摻入的雜質元素得不到有效激活，導致金剛石的n型摻雜一直是困擾科學家們的難題。目前公認有效的p型摻雜為硼，n型摻雜為磷，質量最好的半導體摻雜技術是微波等離子CVD法。


1.p型摻雜

p型摻硼半導體金剛石單晶是制備高溫、大功率半導體元器件的首選材料，在電子、核能和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。目前在金剛石硼摻雜方面應做進一步的研究，通過選擇合適的硼源和調整硼的摻雜濃度等方式提高摻硼金剛石的載流子遷移率，并將其應用于二極管、場效應晶體管和探測器等期間的制備，提高器件的工作性能。


2.n型摻雜

n型導電同質外延金剛石的實現基于pn結的電子應用非常重要，是發展雙極型器件的關鍵。科學家們嘗試采用氮、硫、鋰和磷等元素對金剛石進行摻雜以實現其n型導電。由于氮在金剛石中的雜質能級很深（距離導帶底1.7-2eV的深能級處），使含氮金剛石在室溫下是良好的絕緣體，并不能實現金剛石的n型導電。硫原子的半徑比碳原子大很多，摻入金剛石后會引起大量的晶格畸變，從而產生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有電活性。

例如，硫摻雜金剛石的電學性能主要受溫度影響，在高溫條件下呈現n型導電，低溫時呈現p型導電。所以，雖然硫摻雜金剛石膜可以實現n型導電，但要真正應用于電子等領域，仍存在很大困難。鋰摻雜金剛石后會位于金剛石的晶界、缺陷、間隙位置及替代位置等。

當鋰原子以間隙原子存在時，可以形成施主雜質；以替位原子存在時，可以形成深受主雜質；存在于晶界或晶格缺陷中時不具有半導體性質。而磷的共價鍵半徑是碳的1.4倍，能級位于導帶底以下0.58eV，在金剛石膜中可以形成淺能級，是實現金剛石n型摻雜的理想元素。


晶圓廠家的進步促進研發

金剛石半導體研發被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過小，無法滿足需求。產總研下屬企業一一EDP株式會社（日本大阪府豐中市，以下簡稱為：“EDP”）自2009年創業之初就以擴大晶圓尺寸為使命，長期以來在半導體行業一直默默無聞、研發新技術，以促進企業增長。

企業狀況的好轉源于寶石(鉆石)市場的興起。作為飾品的鉆石，一般以天然鉆石受人們歡迎，而人造鉆石的價值較低。在2015年一一2019年期間，大型鉆石廠家賦予人工鉆石以高昂的價值，從而使飾品類人工鉆石的市場迅速擴大。而EDP公司的單晶金剛石作為晶種，需求驟增，成為了企業增長的“催化劑”。因此，2022年EDP成功上市，并獲得了可以保證半導體晶圓研發的資源基礎。

由于全球經濟情況直接影響用作飾品的金剛石市場，因此EDP公司近期的業績一直低迷。但是，中長期來看，考慮到發展中國家的環境保護問題、勞動者權利保護問題等因素，天然鉆石轉為人工鉆石這一趨勢是不會變化的，EDP公司作為半導體方向金剛石的支撐性企業，其地位會越來越重要。

此外，Orbray株式會社（總部：日本東京都足立區，2023年1月更名為“Orbray”，中文名：奧比睿有限公司，以下簡稱為：“Orbray”）也在積極推進金剛石材質的晶圓業務。“Orbray”研發了一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產方法，如今已經成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標是未來生產出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導體應用方向外，“Orbray”還在利用其它生長方法研發用于量子計算機的超高純度晶圓，并以實現商用為目標。

半導體晶圓的研發工作、擴充產能工作目前都處于發展階段，“與以往相比，現在更容易獲得用于研發的晶圓”（金剛石半導體研發技術員）。如今，如果某位研究員對研發型晶圓抱有興趣，即可輕松獲得實物，與以往相比，已有明顯的進步。

越來越多的單位在推進金剛石半導體的實用化

如今，已經有越來越多的單位正在將金剛石半導體從研發階段推向實用化。日本佐賀大學的嘉數誠教授已經對研發金剛石半導體研發了二十多年。大概五年前，嘉數誠教授了解到“Orbray”的金剛石晶圓，并認識到可以用作研發，從此雙方開啟了共同研發之路。2022年5月，雙方利用2英寸晶圓，研發出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達2568V的半導體。就此次研發成果而言，作為金剛石半導體其性能首屈一指，而且，從半導體的性能來看，僅次于美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，簡稱為：“MIT”）利用氮化鎵（GaN）實現的成果。

嘉數誠教授認為，必須要把對半導體的驗證工作從研發階段推向實用階段，并提出了五年內研發出金剛石晶體管的目標。此外，嘉數誠教授還在和封裝（Packaging）、鍵合（Bonding）等周邊技術相關的企業共同推進研發，同時也在測定晶體管的壽命、以驗證其長期信賴性。此外，嘉數誠教授還計劃通過試做功率電子線路，以驗證其工作情況。

此外，日本產總研也在有效利用其長期積累的“一條龍”式（從結晶生長、晶圓加工，到制成芯片）的技術經驗，以推進芯片的實用化。其目標是利用大面積芯片（Chip）實現現有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時“兩手抓”。

2022年8月，誕生了一家以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業，即日本早稻田大學下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標是把金剛石半導體行業的先驅一一川原田洋教授的研發成果推向實用化。

川原田教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發了金剛石場效應晶體管（FET），并為業界熟知。川原田教授的研發成果成為了PDS公司的核心技術，但PDS公司還計劃與外部企業合作共同進一步進行研發，而不是單純的“閉門造車”。PDS計劃諸多企業（如晶圓廠家、功率半導體廠家、電氣設備廠家等）、大學、研發機構合作，以實現金剛石半導體的實用化。PDS的目標是構筑一個從材料、芯片，到系統的完整生態系統，以實現該司成為業界“主角”的目標。

雖然PDS公司剛成立半年之余，已經與日本國內諸多大型企業、研發機構構筑了良好的合作關系。并且計劃在數年內發布試作品，然后在1年一一2年后研發功率電子線路相關的系統。


能否與大企業合作是實現實用化的關鍵所在

針對金剛石半導體的實用化和潛力，PDS的首席執行官(CEO)一一藤島辰也先生表示：“日本有很多企業在功率半導體、高頻元件等領域擁有豐富的生產實績”。接下來的任務是能否與大型企業展開合作。不過令人遺憾的是，從以往的研發過程來看，企業方面似乎不是很積極參與。有研究人員表示：“在學會等研發成果發布會現場，企業的工程師表現出了極大的興趣，但是這都與業務沒有直接聯系。”真要實際實現商業化，至少還需要十年左右的時間，且研發成果也無法直接、迅速地帶來利潤，因此企業才一直猶豫不決。但是，僅靠大學和研發機構是無法實現真正的社會面應用的。

此外，海外企業的研發速度之外著實令筆者驚訝。在筆者的采訪中曾發現，針對日本研發人員的研發項目，臺灣地區、中國大陸地區企業研發人員提出了合作研發的申請。面對當下嚴峻的地政學風險，日本的研發人員應該謹慎對待與海外的合作。不過，由于日本企業不愿意關注，借助海外企業的力量推進研發也是不可避免的。

與已經實現實用化的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等半導體相比，金剛石半導體在社會面、國家層面的關心程度都不夠高。正是因為日本國內已經有數家單位開始為推進金剛石半導體的實用化而邁出關鍵的一步，作為政府和企業更應該盡快行動。