要點:
隨著AI和數位技術的快速發展，對資料中心運算需求激增，傳統矽基半導體面臨諸多挑戰。金剛石作為新興半導體材料，憑藉其卓越性能，正在推動晶片技術革新。
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隨著人工智能/AI和大型語言模型等數位技術的迅猛發展，對資料中心運算能力的需求正顯著增加。在這個變革的時代，傳統以矽為核心的半導體技術面臨高功率密度、高頻率、高溫度和高輻射等諸多挑戰。而第三代半導體材料的崛起，尤其是以氮化鎵/GaN和碳化矽/SiC為代表的新型材料，正在推動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發展。然而，散熱、能效等關鍵性能指標仍是業界不懈追求的目標。
在這場對極致性能與效率的追求中，一場由“金剛石”引領的晶片革命正在悄然興起。作為一種嶄新且引人注目的半導體材料，金剛石晶片到底擁有哪些獨特的優勢？在這背後，既有突破性的進展，可能引發全球半導體競爭新角逐。
金剛石半導體
金剛石（鑽石原形）被譽為自然界最堅硬的物質，不僅硬度極高，還擁有卓越的導熱性能和極高的電子遷移率，並具備耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多項優異的物理特性。這些優勢使其成為一個極具潛力的半導體材料。
具體而言，金剛石半導體擁有超寬禁帶寬度（5.45 eV）、極高的擊穿場強（10 MV/cm）、高載流子飽和漂移速度和極高的熱導率（2000 W/m·K）等優秀的材料特性。此外，金剛石的裝置品質因子（Johnson、Keyes、Baliga）也表現出色。利用金剛石襯底，可以製造高溫、高頻、高功率、抗輻射的電子裝置，有效克服裝置面臨的自熱效應等技術瓶頸。
這些特性使得金剛石在晶片製造領域顯示出巨大潛力，特別是在高功率密度、高頻率電子裝置的散熱應用上。金剛石在5G/6G通信、微波/毫米波積體電路、探測與感測等領域中，將發揮日益重要的作用。作為一種新型半導體材料，金剛石被業界譽為“終極半導體材料”，並被認為在未來擁有廣泛的應用前景。
例如，在電動車領域，基於金剛石的功率電子元件能實現更高效的功率轉換，延長電池壽命並縮短充電時間；在電信領域，尤其是在5G及更高級別網絡的部署中，對高頻率和高功率裝置的需求不斷增加。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理能力和頻率性能，支援射頻開關、放大器和發射器等下一代通信設備的發展；在消費電子領域，單晶金剛石基板有助於推動更小、更快、更高效的智慧型手機、筆記型電腦和穿戴式裝置的元件創新，從而提升整體市場性能。
據市場調研機構Virtuemarket資料指出，2023年全球金剛石半導體基材市場價值為1.51億美元，預計到2030年底市場規模將達到3.42億美元。在2024至2030年的預測復合年增長率為12.3%。其中，在中國、日本和韓國等國家電子和半導體行業不斷增長的需求的推動下，亞太地區預計將主導金剛石半導體基板市場，到2023年預計將佔全球收入份額的40%以上。
金剛石半導體在各行各業的應用潛力已被廣泛認可。隨著實驗室製造技術的不斷進步，金剛石半導體正逐步成為滿足現代技術需求的領先解決方案。金剛石憑藉其卓越的物理特性，無論是在高功率、高頻率的電子裝置中，還是在極端環境條件下，都展現出了巨大的潛力和價值。這些獨特的優勢使其成為未來半導體領域中的關鍵材料，並為各種新興技術的發展提供了強大的支撐。
金剛石的巨大的潛力和價值
在金剛石特性優勢與廣闊前景的驅動下，這一新型半導體材料在產業鏈中的多個環節展現出了巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝基板到微納加工，再到BDD電極和量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體產業的各個關鍵領域，推動技術創新與產業升級。
熱沉與散熱 - 金剛石憑藉卓越的熱導率和絕緣性能，成為高功率散熱的首選材料。金剛石單晶熱沉片的熱導率是銅和銀的五倍。在半導體雷射器中，金剛石熱沉片能顯著提高散熱效果，降低熱阻，增強輸出功率，並延長裝置壽命。這一特性使得金剛石在新能源車、工業控制等領域的高功率IGBT模組中具有廣泛的應用前景，能實現更高效的散熱和更高的功率密度。
目前，許多高功率半導體雷射器使用的是氮化鋁熱沉，並將其燒結在銅熱沉上作為過渡材料。然而，在要求熱導率達到1000至2000 W/m·K的情況下，金剛石已成為首選甚至唯一的可行材料。金剛石作為熱沉材料，主要有兩種形式：金剛石薄膜以及金剛石與銅、鋁等金屬的複合材料。
半導體封裝基板 - 在裸晶片封裝中，基板承擔著關鍵的熱傳導作用。目前，Al₂O₃陶瓷基片是最常用的封裝基板材料，但由於其較高的熱膨脹係數（7.2×10⁻⁶ /℃）、較高的介電常數（9.7），以及相對較低的熱導率（15-35 W/m·K），使其在高頻、大功率及超大規模積體電路中的應用效果不理想。隨著微電子技術不斷進步，對小型化、高密度組裝和新型基板材料的需求也在不斷增長。因此，開發具有更高熱導率、更佳性能的基片材料已成為行業發展的必然趨勢。
金剛石以其極高的熱導率、低熱膨脹係數和卓越的穩定性，逐漸成為新一代封裝基板材料的焦點。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體復合製成金剛石/金屬基複合材料，已顯示出其在電子封裝領域的巨大應用潛力。儘管單晶金剛石製作封裝材料的難度較高，且成本較為昂貴，但金剛石的熱導率遠超傳統陶瓷基板材料數十倍甚至上百倍，這使得許多企業積極投入相關研究。特別是在算力需求快速增長的今天，金剛石封裝基板為高效能晶片的散熱問題提供了創新解決方案，並為AI、資料中心等領域的快速發展提供了有力支持。
微納加工 - 第三代半導體材料（如碳化矽、氮化鎵）在加工過程中面臨較大挑戰，金剛石微粉及其產品憑藉其超硬特性，成為加工這些材料的理想工具。以碳化矽晶體的切割、研磨和拋光為例，金剛石工具在這些環節中發揮了至關重要的作用。隨著5G、物聯網等技術的普及，消費電子領域對精密加工的需求日益增長，金剛石刀具和微粉產品在金屬、陶瓷及脆性材料的精密表面處理中，提供了高品質的解決方案，促進了整個產業的技術進步和升級。
此外，金剛石在光學窗口、BDD電極、量子科技等多個領域展現出顯著優勢，因此被視為未來半導體材料的重要競爭者。隨著金剛石在這些新興領域的應用潛力不斷被挖掘，它正逐步成為下一代半導體技術的重要一環。
在此背景下，全球各國也在加緊對金剛石半導體材料的研發與應用探索，競爭日益激烈。各大科研機構和企業紛紛投入資源，力求在這一領域取得技術突破，以占領未來半導體市場的制高點。
全球半導體競爭新角逐
目前，全球各國都在積極加快金剛石在半導體領域的研發步伐，並將其視為未來科技創新的關鍵材料。從高效能晶片散熱解決方案到量子計算和光電應用，金剛石的潛力被各大研究機構和企業廣泛看好。為了確保在這一技術領域的領先地位，各國不僅加大了對金剛石材料基礎研究的支持，還積極推動相關製程技術的突破和商業化應用，力求在全球半導體市場的競爭中占據一席之地。
Element Six贏得UWBGS項目 - Element Six/元素六公司是De Beers集團旗下的鑽石公司，總部位於英國倫惇，是全球領先的單晶金剛石和多晶金剛石合成技術提供商，並在化學氣相沉積/CVD技術方面擁有豐富的經驗。
今年，Element Six正主導一個關鍵項目，開發基於單晶/SC金剛石襯底的超寬頻高功率半導體。該項目是由美國國防高級研究計畫局/DARPA牽頭的超寬頻隙半導體/UWBGS計畫的一部分，旨在突破當前半導體的性能和效率極限，並為未來的國防及商業應用提供下一代先進半導體技術。
儘管該公司已成功製備出適用於熱沉和光學領域的大尺寸金剛石晶圓，然而，將其應用於電子級半導體領域仍面臨諸多挑戰。特別是在大尺寸單晶金剛石的合成、剝離及研磨拋光等技術環節，仍存在亟需解決的技術瓶頸，這些問題將直接影響其在電子領域的商業化應用。
Diamond Foundry培育全球首個單晶金剛石 - 由麻省理工學院、史丹佛大學和普林斯頓大學的工程師創立的公司Diamond Foundry，在金剛石晶片的研發方面取得了顯著進展。該公司於2023年10月培育出世界首個單晶金剛石晶片，這一突破對於半導體領域尤其是在高效能散熱方面具有重大意義。Diamond Foundry目前能夠在其反應爐中培育出直徑達4英寸、小於3毫米厚的金剛石晶圓，這些晶圓可以與矽晶片配合使用，實現高效的熱傳導和熱釋放。
據了解，Diamond Foundry希望通過使用單晶金剛石晶圓來解決目前限制人工智能AI、雲端運算晶片、電動汽車電力電子裝置以及無線通訊晶片等領域的熱管理挑戰。金剛石作為理想的散熱材料，其優異的熱導率使其能夠有效降低晶片運行過程中的熱積累，從而提升晶片的性能和運行速度。
具體來說，Diamond Foundry開發了一種新技術，可以將金剛石以原子級的方式直接與半導體晶片連接，將晶片黏合到金剛石基板上，徹底解決傳統散熱材料無法有效處理高熱密度的問題。這一創新技術的優勢在於，晶片的運行速度至少可以達到其額定速度的兩倍，甚至在實驗條件下，某些高性能的AI晶片（例如輝達的AI處理器）可以實現額定速度的三倍增速。
華為佈局金剛石 - 2023年11月，華為與哈爾濱工業大學聯手申請了一項名為“一種基於矽和金剛石的三維整合晶片的混合鍵合方法”的專利。這項技術涉及一種創新的混合鍵合方法，通過Cu/SiO₂混合鍵合技術將矽基晶片與金剛石襯底材料進行三維整合。華為期望通過這種整合技術，充分發揮矽基半導體和金剛石各自的優勢，實現更高效能的散熱和更優異的晶片性能。
專利中提到，隨著集成密度的不斷提升和特徵尺寸的逐步縮小，電子晶片的熱管理問題日益嚴重。由於晶片內部熱積累難以有效傳遞至封裝表層的散熱片，這會導致晶片內部溫度劇增，從而嚴重影響晶片的性能、穩定性以及使用壽命。因此，尋找有效的散熱解決方案成為當前半導體技術發展的重中之重。
除了華為的專利外，今年3月，廈門大學大全教授團隊與華為團隊合作，成功開發了基於反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術。該技術成功將多晶金剛石襯底整合到2.5D玻璃轉接板封裝晶片的背面，並利用熱測試晶片/TTV對其散熱性能進行了深入研究。這一技術的突破也為金剛石在半導體散熱領域的應用開辟了新的可能。
此外，像位於法國、日本、美國和韓國的全球多家半導體初創公司，亦在不斷努力開發金剛石晶片技術，推動金剛石在半導體領域的商業化應用，並致力於解決當前晶片熱管理的瓶頸。
早在五、六十年前，科學界就曾經掀起過一股研究金剛石半導體的熱潮，當時很多人都對這一新型材料寄予厚望，認為它有潛力徹底改變半導體行業。然而，時至今日，金剛石半導體仍未能實現大規模的商業化應用。
儘管金剛石在商業化過程中面臨重重困難，它仍然在半導體產業鏈中展示出強大的活力和潛力。隨著科技的進步，越來越多的科研機構和企業正積極投入金剛石半導體的研發，探索如何突破這些技術瓶頸並實現規模化生產。各方的共同努力也讓金剛石材料的發展逐漸走向成熟。我們相信，隨著技術的革新，金剛石在未來的半導體領域將迎來更多的應用機會，尤其是在極端環境下的高效能裝置和新興領域（如量子計算和高頻通信）中發揮更大作用。
但與此同時，我們也應該清醒地認識到，金剛石不會取代以矽為代表的傳統半導體材料。矽材料以其成熟的技術、較低的成本和穩定的性能，依然在許多領域占據主導地位。金剛石的最終作用，並非要將矽材料“打敗”，而是作為一種互補的材料，在其特長的領域充分發揮作用。未來，金剛石和矽等傳統材料有可能在不同的應用場景中協同發展，共同推動半導體技術的進步，實現更加高效和多元化的應用。
