要点:
随着AI和数位技术的快速发展，对资料中心运算需求激增，传统矽基半导体面临诸多挑战。金刚石作为新兴半导体材料，凭借其卓越性能，正在推动晶片技术革新。
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随着人工智能/AI和大型语言模型等数位技术的迅猛发展，对资料中心运算能力的需求正显著增加。在这个变革的时代，传统以矽为核心的半导体技术面临高功率密度、高频率、高温度和高辐射等诸多挑战。而第三代半导体材料的崛起，尤其是以氮化镓/GaN和碳化矽/SiC为代表的新型材料，正在推动功率元件向更高功率、更小型化、更集成化和更多功能的方向发展。然而，散热、能效等关键性能指标仍是业界不懈追求的目标。
在这场对极致性能与效率的追求中，一场由“金刚石”引领的晶片革命正在悄然兴起。作为一种崭新且引人注目的半导体材料，金刚石晶片到底拥有哪些独特的优势？在这背后，既有突破性的进展，可能引发全球半导体竞争新角逐。
金刚石半导体
金刚石（钻石原形）被誉为自然界最坚硬的物质，不仅硬度极高，还拥有卓越的导热性能和极高的电子迁移率，并具备耐高压、大射频、低成本、耐高温等多项优异的物理特性。这些优势使其成为一个极具潜力的半导体材料。
具体而言，金刚石半导体拥有超宽禁带宽度（5.45 eV）、极高的击穿场强（10 MV/cm）、高载流子饱和漂移速度和极高的热导率（2000 W/m ·K）等优秀的材料特性。此外，金刚石的装置品质因子（Johnson、Keyes、Baliga）也表现出色。利用金刚石衬底，可以制造高温、高频、高功率、抗辐射的电子装置，有效克服装置面临的自热效应等技术瓶颈。
这些特性使得金刚石在晶片制造领域显示出巨大潜力，特别是在高功率密度、高频率电子装置的散热应用上。金刚石在5G/6G通信、微波/毫米波积体电路、探测与感测等领域中，将发挥日益重要的作用。作为一种新型半导体材料，金刚石被业界誉为“终极半导体材料”，并被认为在未来拥有广泛的应用前景。
例如，在电动车领域，基于金刚石的功率电子元件能实现更高效的功率转换，延长电池寿命并缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频率和高功率装置的需求不断增加。单晶金刚石基板提供了必要的热管理能力和频率性能，支援射频开关、放大器和发射器等下一代通信设备的发展；在消费电子领域，单晶金刚石基板有助于推动更小、更快、更高效的智慧型手机、笔记型电脑和穿戴式装置的元件创新，从而提升整体市场性能。
据市场调研机构Virtuemarket资料指出，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024至2030年的预测复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下，亚太地区预计将主导金刚石半导体基板市场，到2023年预计将占全球收入份额的40%以上。
金刚石半导体在各行各业的应用潜力已被广泛认可。随着实验室制造技术的不断进步，金刚石半导体正逐步成为满足现代技术需求的领先解决方案。金刚石凭借其卓越的物理特性，无论是在高功率、高频率的电子装置中，还是在极端环境条件下，都展现出了巨大的潜力和价值。这些独特的优势使其成为未来半导体领域中的关键材料，并为各种新兴技术的发展提供了强大的支撑。
金刚石的巨大的潜力和价值
在金刚石特性优势与广阔前景的驱动下，这一新型半导体材料在产业链中的多个环节展现出了巨大的潜力和价值。从热沉、封装基板到微纳加工，再到BDD电极和量子科技应用，金刚石正逐步渗透到半导体产业的各个关键领域，推动技术创新与产业升级。
热沉与散热-金刚石凭借卓越的热导率和绝缘性能，成为高功率散热的首选材料。金刚石单晶热沉片的热导率是铜和银的五倍。在半导体雷射器中，金刚石热沉片能显著提高散热效果，降低热阻，增强输出功率，并延长装置寿命。这一特性使得金刚石在新能源车、工业控制等领域的高功率IGBT模组中具有广泛的应用前景，能实现更高效的散热和更高的功率密度。
目前，许多高功率半导体雷射器使用的是氮化铝热沉，并将其烧结在铜热沉上作为过渡材料。然而，在要求热导率达到1000至2000 W/m·K的情况下，金刚石已成为首选甚至唯一的可行材料。金刚石作为热沉材料，主要有两种形式：金刚石薄膜以及金刚石与铜、铝等金属的复合材料。
半导体封装基板-在裸晶片封装中，基板承担着关键的热传导作用。目前，Al₂O₃陶瓷基片是最常用的封装基板材料，但由于其较高的热膨胀系数（7.2×10⁻⁶ /℃）、较高的介电常数（9.7），以及相对较低的热导率（15-35 W/m·K），使其在高频、大功率及超大规模积体电路中的应用效果不理想。随着微电子技术不断进步，对小型化、高密度组装和新型基板材料的需求也在不断增长。因此，开发具有更高热导率、更佳性能的基片材料已成为行业发展的必然趋势。
金刚石以其极高的热导率、低热膨胀系数和卓越的稳定性，逐渐成为新一代封装基板材料的焦点。通过将金刚石颗粒与Ag、Cu、Al等高导热金属基体复合制成金刚石/金属基复合材料，已显示出其在电子封装领域的巨大应用潜力。尽管单晶金刚石制作封装材料的难度较高，且成本较为昂贵，但金刚石的热导率远超传统陶瓷基板材料数十倍甚至上百倍，这使得许多企业积极投入相关研究。特别是在算力需求快速增长的今天，金刚石封装基板为高效能晶片的散热问题提供了创新解决方案，并为AI、资料中心等领域的快速发展提供了有力支持。
微纳加工-第三代半导体材料（如碳化矽、氮化镓）在加工过程中面临较大挑战，金刚石微粉及其产品凭借其超硬特性，成为加工这些材料的理想工具。以碳化矽晶体的切割、研磨和抛光为例，金刚石工具在这些环节中发挥了至关重要的作用。随着5G、物联网等技术的普及，消费电子领域对精密加工的需求日益增长，金刚石刀具和微粉产品在金属、陶瓷及脆性材料的精密表面处理中，提供了高品质的解决方案，促进了整个产业的技术进步和升级。
此外，金刚石在光学窗口、BDD电极、量子科技等多个领域展现出显著优势，因此被视为未来半导体材料的重要竞争者。随着金刚石在这些新兴领域的应用潜力不断被挖掘，它正逐步成为下一代半导体技术的重要一环。
在此背景下，全球各国也在加紧对金刚石半导体材料的研发与应用探索，竞争日益激烈。各大科研机构和企业纷纷投入资源，力求在这一领域取得技术突破，以占领未来半导体市场的制高点。
全球半导体竞争新角逐
目前，全球各国都在积极加快金刚石在半导体领域的研发步伐，并将其视为未来科技创新的关键材料。从高效能晶片散热解决方案到量子计算和光电应用，金刚石的潜力被各大研究机构和企业广泛看好。为了确保在这一技术领域的领先地位，各国不仅加大了对金刚石材料基础研究的支持，还积极推动相关制程技术的突破和商业化应用，力求在全球半导体市场的竞争中占据一席之地。
Element Six赢得UWBGS项目- Element Six/元素六公司是De Beers集团旗下的钻石公司，总部位于英国伦惇，是全球领先的单晶金刚石和多晶金刚石合成技术提供商，并在化学气相沉积/ CVD技术方面拥有丰富的经验。
今年，Element Six正主导一个关键项目，开发基于单晶/SC金刚石衬底的超宽频高功率半导体。该项目是由美国国防高级研究计画局/DARPA牵头的超宽频隙半导体/UWBGS计画的一部分，旨在突破当前半导体的性能和效率极限，并为未来的国防及商业应用提供下一代先进半导体技术。
尽管该公司已成功制备出适用于热沉和光学领域的大尺寸金刚石晶圆，然而，将其应用于电子级半导体领域仍面临诸多挑战。特别是在大尺寸单晶金刚石的合成、剥离及研磨抛光等技术环节，仍存在亟需解决的技术瓶颈，这些问题将直接影响其在电子领域的商业化应用。
Diamond Foundry培育全球首个单晶金刚石-由麻省理工学院、史丹佛大学和普林斯顿大学的工程师创立的公司Diamond Foundry，在金刚石晶片的研发方面取得了显著进展。该公司于2023年10月培育出世界首个单晶金刚石晶片，这一突破对于半导体领域尤其是在高效能散热方面具有重大意义。 Diamond Foundry目前能够在其反应炉中培育出直径达4英寸、小于3毫米厚的金刚石晶圆，这些晶圆可以与矽晶片配合使用，实现高效的热传导和热释放。
据了解，Diamond Foundry希望通过使用单晶金刚石晶圆来解决目前限制人工智能AI、云端运算晶片、电动汽车电力电子装置以及无线通讯晶片等领域的热管理挑战。金刚石作为理想的散热材料，其优异的热导率使其能够有效降低晶片运行过程中的热积累，从而提升晶片的性能和运行速度。
具体来说，Diamond Foundry开发了一种新技术，可以将金刚石以原子级的方式直接与半导体晶片连接，将晶片黏合到金刚石基板上，彻底解决传统散热材料无法有效处理高热密度的问题。这一创新技术的优势在于，晶片的运行速度至少可以达到其额定速度的两倍，甚至在实验条件下，某些高性能的AI晶片（例如辉达的AI处理器）可以实现额定速度的三倍增速。
华为布局金刚石- 2023年11月，华为与哈尔滨工业大学联手申请了一项名为“一种基于矽和金刚石的三维整合晶片的混合键合方法”的专利。这项技术涉及一种创新的混合键合方法，通过Cu/SiO₂混合键合技术将矽基晶片与金刚石衬底材料进行三维整合。华为期望通过这种整合技术，充分发挥矽基半导体和金刚石各自的优势，实现更高效能的散热和更优异的晶片性能。
专利中提到，随着集成密度的不断提升和特征尺寸的逐步缩小，电子晶片的热管理问题日益严重。由于晶片内部热积累难以有效传递至封装表层的散热片，这会导致晶片内部温度剧增，从而严重影响晶片的性能、稳定性以及使用寿命。因此，寻找有效的散热解决方案成为当前半导体技术发展的重中之重。
除了华为的专利外，今年3月，厦门大学大全教授团队与华为团队合作，成功开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术。该技术成功将多晶金刚石衬底整合到2.5D玻璃转接板封装晶片的背面，并利用热测试晶片/TTV对其散热性能进行了深入研究。这一技术的突破也为金刚石在半导体散热领域的应用开辟了新的可能。
此外，像位于法国、日本、美国和韩国的全球多家半导体初创公司，亦在不断努力开发金刚石晶片技术，推动金刚石在半导体领域的商业化应用，并致力于解决当前晶片热管理的瓶颈。
早在五、六十年前，科学界就曾经掀起过一股研究金刚石半导体的热潮，当时很多人都对这一新型材料寄予厚望，认为它有潜力彻底改变半导体行业。然而，时至今日，金刚石半导体仍未能实现大规模的商业化应用。
尽管金刚石在商业化过程中面临重重困难，它仍然在半导体产业链中展示出强大的活力和潜力。随着科技的进步，越来越多的科研机构和企业正积极投入金刚石半导体的研发，探索如何突破这些技术瓶颈并实现规模化生产。各方的共同努力也让金刚石材料的发展逐渐走向成熟。我们相信，随着技术的革新，金刚石在未来的半导体领域将迎来更多的应用机会，尤其是在极端环境下的高效能装置和新兴领域（如量子计算和高频通信）中发挥更大作用。
但与此同时，我们也应该清醒地认识到，金刚石不会取代以矽为代表的传统半导体材料。矽材料以其成熟的技术、较低的成本和稳定的性能，依然在许多领域占据主导地位。金刚石的最终作用，并非要将矽材料“打败”，而是作为一种互补的材料，在其特长的领域充分发挥作用。未来，金刚石和矽等传统材料有可能在不同的应用场景中协同发展，共同推动半导体技术的进步，实现更加高效和多元化的应用。
