在不遠的將來，“人手一顆鉆石”可能不再是遙不可及的夢想。不過，這顆鉆石不是裝飾品，而是作為每一臺電子設備心臟——芯片——的部件。2023年，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公司創造出了世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），開啟了一場可能顛覆整個半導體行業的技術革命。按照該公司的規劃，在2023年以后，他們計劃在每個芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動鉆石材料在半導體行業的應用，如用于制造晶體管或其他半導體元件的基底材料。


鉆石，成為半導體終極材料

自1959年硅晶片誕生以來，半導體工業不斷地突破和創新。從硅發展到現在大火大熱的碳化硅（SiC）/氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體材料，再到對氧化鎵的探索，產業界始終在探索具有更優導熱和電絕緣性能的新材料，以應對不斷升級的技術要求。而鉆石晶圓，就目前已經探到的材料而言，可以說是終極的半導體材料了。

眾多周知，整個半導體產業遵循著摩爾定律已經來到了3納米，蘋果的3納米芯片已經伴隨iPhone15 Pro和Pro max悄然到了消費者手中。隨著我們正在向2納米、1納米甚至是埃米（Angstrom，1埃=十億分之一米）級別邁進。依靠現在的硅基材料顯然是有很大難度的，物理極限的問題不斷顯現，熱挑戰也在困擾著行業。與當今現有的材料相比，鉆石展現了其多項超群的特性。

首先，按照DF公司的說法，他們可以實現將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導體產業未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的技術基礎。

其次，單晶鉆石是已知熱導率最高的材料。典型的硅的熱導率為150W/（m·K），銅（Copper）是380W/（m·K），而鉆石的熱導率遠高于硅和銅，高達2400W/（m·K），，這就意味著它能更有效地傳導熱量，使集成電路能夠更快地運行且壽命更長。

鉆石還有一個很大的優勢是極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不造成電擊穿。作為對比，硅材料的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm。而且即使是非常薄的鉆石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。這對于功率電子學領域中的器件微型化是非常重要的。

因此，憑借極高的導熱性和電絕緣性以及可與集成電路晶圓直接粘合的特點，使得鉆石成為理想的半導體基底材料。


世界上首個110克拉、晶圓大小的鉆石是如何制造出來的？

創造出世界首個DF公司的創始團隊由麻省理工學院、斯坦福大學和普林斯頓大學的工程師組成，大約2012年之前，他們還是一家太陽能發電科技公司，但是該公司由于某些原因在商業上失敗了，然而他們卻發現類似太陽能的技術卻可以生產更高價值的鉆石。因此，自2012年開始，該團隊開始設計生長鉆石的等離子體反應器，2014年啟動了第一個等離子體反應器。2015年他們生產出了第一顆單晶鉆石。2016年他們的鉆石開始大量生產，被消費者搶售一空。事實證明，鉆石確實是一門好生意，很快該公司就實現了盈利。

他們開始制造越來越大的鉆石，并開始追求半導體晶圓大小的鉆石。2023年10月，他們成功制造出了世界上第一塊單晶鉆石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。

這不是易事，長期以來，生產晶圓大小的單晶鉆石一直是難以實現的技術圣杯。單晶鉆石的制造過程一直受到兩大技術挑戰的制約：

一方面，使用傳統的高壓高溫（HPHT）技術培育大尺寸單晶鉆石所需承受的壓力遠超任何已知材料的極限；

另一方面，按照單晶材料生長的基本原則：在生長單晶材料時，通常需要一個已有的同種材料的單晶體作為“種子”，這個種子會指導新添加的原子在何處正確地定位自己，以保持原有的晶體結構不變。簡單來說，就像是在已有的秩序排列的隊列中加入新成員，如果沒有一個明確的示范，新來的成員就不會知道如何加入隊列以保持隊列的整齊。在單晶生長的情況下，這種“隊列”的秩序是原子排列的規則性和周期性，也就是晶格結構。如果沒有一個模板來指導這種秩序的創建，那么新增加的原子就無法形成所需的單晶結構，可能會導致多晶或非晶結構的形成，這些結構的性質與單晶大不相同。

因此，要想采用薄膜原子分層技術制造鉆石則需要一個與晶圓同樣大小的基體來指導原子沉積，但世界上并不存在晶圓大小的鉆石，必須要弄清楚如何制造第一個用于生產更多晶圓的“母”晶圓。

DF公司首先采用了一種稱為鉆石晶圓異質外延的極其復雜的技術，據其官網的描述：“我們制造的設備能夠精確控制十個原子層如何撞擊硅晶片上銥和釔穩定氧化鋯的納米級特殊夾層，我們設法讓前十個原子誤以為底部有單晶鉆石，而實際上并沒有，從而為后續單晶鉆石的制造奠定了基礎。”

然后在其等離子體設備中利用晶錠生長反應堆技術，嚴格控制鉆石單晶的生長過程。據悉，他們為生產的每克拉鉆石收集超過10億個數據點，在生長過程中動態調整這些參數。

實現單晶鉆石晶片的挑戰并不止于制造出晶圓大小的母晶。接下來的挑戰是如何切割地球上最堅硬的材料。他們為此又開發了晶圓切割機，用來將單晶鉆石錠切割成薄片。

接下來就是要對切割下來的薄片進行表面拋光。為了能夠嵌入原子尺寸的晶體管，鉆石晶圓片也必須要滿足現在半導體晶圓的表明要求。

為了能將他們制造的鉆石晶圓應用到半導體行業當中去，DF公司又開發了芯片鍵合技術。能與當今眾多的大功率硅芯片、SiC功率芯片以及GaN通信芯片直接進行原子化連接。為更多的應用帶來無限的潛力。

可以說，DF這家公司以其革命性的技術，已經打通了鉆石材料在半導體行業應用的全流程。接下來就看其在各應用當中的潛力了。


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。


國產實力落后，壟斷格局前或可成形

不過中國金剛石產業主要集中在中低端應用市場，就像前面提到的工業加工領域。當然，在珠寶領域的人造鉆石市場也在國內蓬勃發展，但在功能性應用的領域，國內對金剛石材料的開發則較為落后。

西安電子科技大學蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內金剛石發展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領域處于落后。在CVD金剛石研究領域，從專利分布來看，美國、歐洲、日本的研究處于領先地位，我國發展相對緩慢，原創性研究偏少。

在“十三五”重點研發計劃支持下，國內拼接外延大尺寸金剛石單晶已經達到國際并跑的水平；在異質外延單晶方面，國內已經取得開創性進展，但尺寸和質量仍存在較大差距，計劃“十四五”實現追趕或超越。

其中，半導體應用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級、探測器級單晶至今仍是英國元素六公司的壟斷產品，國內仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導體，市場格局仍遠未形成壟斷，在半導體領域商業化仍未實現規模化，因此未來仍有很大的市場機會。