鉆石是終極芯片？

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過去幾十年里，我們見證了電力電子領域的變革性發展。從雙極型晶體管開始，歷經 MOSFET，再到碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 半導體，每一次技術革新都帶來了更高的性能、更高的效率以及電力系統的微型化。

而今天，我們正站在一個激動人心的門檻上，這可能標志著電力器件性能向著傳說中的 99.99% 效率邁進的又一次飛躍：那就是使用合成金剛石作為半導體材料。對于電力電子工程師們來說，這真是一項令人興奮的突破。

圖1：材料特性決定性能

在半導體領域使用鉆石是否現實？

這個想法聽起來或許有些異想天開，甚至有些天方夜譚。畢竟，鉆石傳統上與珠寶、工業應用（例如研磨劑）以及切割、鉆孔、研磨和拋光機械，或用于實驗室高壓實驗聯系在一起，而非用于電力轉換系統或射頻放大器。

然而，多年來，科學界一直公認鉆石是散熱性能最佳的材料，其導熱性遠超硅等傳統材料。盡管如此，鉆石固有的硬度和加工的復雜性使其此前一直不適用于半導體技術領域。

在深入探討鉆石的性能和優勢之前，有必要概述一下鉆石在技術應用領域的發展歷程。這段歷史始于1954年，當時通用電氣公司（GE）成功利用高溫高壓（HPHT）法合成了第一顆人造鉆石，標志著人類首次成功制造鉆石。繼這一里程碑之后，20 世紀 80 年代見證了化學氣相沉積 (CVD) 法首次用于合成金剛石，隨后在 20 世紀 90 年代又探索了摻雜工藝。此后，合成金剛石的研發人員在表征、制造和加工等方面不斷拓展對這種材料的認知。

然而，材料科學和制造技術的進步正迅速將合成金剛石轉變為未來半導體領域的有力競爭者。讓我們來探討一下為什么金剛石被認為是一種卓越的材料，它與傳統的寬禁帶半導體（如碳化硅和氮化鎵）相比有何優勢，以及在實現商業化成熟之前還存在哪些障礙。

技術演進的階梯

我們過去常說，電力電子技術的發展就像階梯，一次次重大突破將新技術從研發推向市場，從而提升性能。金剛石半導體或許可以被視為下一個階段，但有些人認為它面臨的挑戰太大，難以實現。

值得注意的是，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的成功也并非一蹴而就。我記得上世紀 90 年代末，SiC 功率二極管剛上市時，價格昂貴、制造難度高，而且可靠性也存在問題。GaN 的商業化進程起步較晚，最初應用于射頻領域，后來發展成為高效功率晶體管，廣泛應用于從快速充電器到數據中心電源等各種設備。

毫無疑問，傳統的硅半導體技術已經非常成熟，并且隨著新技術的不斷涌現而持續改進。然而，SiC 和 GaN 的成功主要得益于行業對更高電壓、更高效率和更高開關頻率的需求，以縮小最終設備的尺寸。

如今，從電動汽車到太陽能逆變器，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的應用無處不在。寬禁帶 (WBG) 材料顯著降低了器件的尺寸、重量和功耗 (SWaP)，讓我們得以享受到功能強大、節能高效且體積小巧的 USB 適配器。

氮化鎵 (GaN) 憑借其高電子遷移率和低電容，在高頻開關領域展現出優勢。與此同時，碳化硅 (SiC) 在中高壓范圍內找到了用武之地，取代了電動汽車和工業驅動等應用中的 IGBT 和硅 MOSFET。

然而，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 都存在局限性。某些在高溫和惡劣環境下運行的應用可能需要更高的性能和更強的穩定性，而金剛石的特性恰恰能夠滿足這些需求，并帶來變革性的影響。

鉆石優勢一覽

要了解鉆石的潛力，我們必須從材料科學入手。在半導體技術領域，材料在高功率、高頻或高溫應用中的性能取決于其關鍵的物理性質。我們在表格（圖 01）中列出了硅、碳化硅、氮化鎵和鉆石的基本性質，并選取了四個關鍵參數，以便于比較不同材料的性能和優勢：

一、帶隙

帶隙是衡量材料導電能力的重要指標，也是判斷其是否適用于高溫或高能環境的關鍵標準。更寬的帶隙意味著更強的抗漏電和抗擊穿能力，這對于極端條件下的應用至關重要。在這方面，鉆石遠勝其他所有材料。其 5.5 eV 的寬帶隙使得器件能夠在更高的電壓和溫度下工作。

二、擊穿場強

擊穿場強是指材料在發生導電現象之前抵抗電應力的能力。值得注意的是，對于在高壓下工作的器件，尤其是電力電子器件而言，更高的擊穿場強至關重要。這是因為確保器件在極端電負載下的最佳性能至關重要。

金剛石的理論臨界電場強接近 10 MV/cm，是氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 的三倍，是硅的 30 多倍。這使得在相同額定電壓下，器件可以做得更薄，從而降低電阻并提高效率。這也為額定電壓為 10 kV、20 kV 甚至 50 kV 的器件鋪平了道路，有望徹底改變高壓直流 (HVDC) 輸電、電氣化鐵路和并網能源系統。

三、電子遷移率

電子遷移率是指電子在電場作用下的運動速度。它是電子開關和信號傳播的關鍵組成部分，而電子開關和信號傳播過程往往快速發生。提高這些器件中的電子遷移率可以改善數字電路和高頻模擬器件的性能。盡管氮化鎵 (GaN) 和金剛石的電子遷移率相近，但金剛石器件可能具有更高的飽和速度，從而實現極快的開關速度、極低的導通電阻和更低的損耗。這有望將開關頻率推向新的高度，進一步縮小變壓器和電感器等磁性元件的尺寸。

四、導熱系數評估

導熱系數是衡量材料傳熱能力的一項材料特性。在電子領域，高導熱系數至關重要。該特性對于有效散熱至關重要，從而防止過熱，提高器件的可靠性和使用壽命。金剛石的導熱系數高達 20 W/cmK，是目前已知材料中最高的，使其在散熱方面表現卓越，而散熱一直是電力電子領域的一大挑戰。

眾所周知，熱管理是高性能系統中成本最高且限制性能的因素之一。例如，氮化鎵 (GaN) 通常需要碳化硅等特殊襯底來避免過熱。

金剛石無與倫比的散熱能力可使器件在超過 400°C 的溫度下穩定運行，從而實現更緊湊、更堅固的系統，尤其是在航空航天和高溫應用領域。

我們目前處于什么階段？

盡管備受矚目，金剛石半導體尚未實現主流化生產。但過去十年間，尤其是在化學氣相沉積 (CVD) 技術引領下的合成金剛石制備方面，取得了顯著進展。CVD 技術能夠制備大面積、超純的單晶金剛石晶片——這是制造可靠半導體器件的關鍵前提。

如今，實驗室已成功演示了具有良好特性的金剛石肖特基二極管和功率場效應晶體管 (FET)。然而，由于制造成本、缺陷密度、摻雜控制和可擴展性等因素的限制，其全面商業化仍處于早期階段。不過，

最新的研究成果令人振奮，現在也取得一些值得關注的進展。

回首往事，我的感受與當年碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 處于研究階段時一樣。作為一名電力電子工程師，我曾深入研究大量關于寬禁帶技術及其前景的論文，撰寫文章并在會議上發表，與電力電子界分享我的熱情。二十年后，這些前景已成為商業現實。

經過多年的基礎研究，金剛石在半導體行業的應用正邁向新的階段，即預工業化和構建支持未來商業產品的生態系統。

要列舉金剛石半導體行業近期發生的所有重大進展幾乎是不可能的。在本文中，我們分享一些在日本和法國（歐盟）的杰出項目，但可以肯定的是，美國也取得了許多類似的進展。

一、日本

據悉，首個采用合成金剛石半導體的功率電路是由日本一所大學的研究團隊開發的。佐賀大學的研究團隊在笠誠教授的帶領下，探索了金剛石半導體可能超越硅和其他現有材料的假設，并由此展開了金剛石半導體的研究，最終開發出一種采用金剛石制成的功能性n溝道MOSFET晶體管。

日本半導體產業發展史上的另一個重要轉折點是福島第一核電站（NPS）的停運。2011年3月11日，東日本大地震引發的海嘯導致福島第一核電站停運。在核反應堆退役過程中，一項研究計劃于2012年啟動，旨在開發能夠在受損核電站惡劣環境下運行的金剛石半導體，該核電站曾遭受高輻射污染。

該項目得以實現，得益于日本產業技術綜合研究所（AIST）、日本原子能研究開發機構（JAEA）、北海道大學和高能加速器研究機構（KEK）等知名機構的技術專長匯聚。

目標明確：設計一種關鍵方法，利用能夠承受高輻射水平的金剛石半導體來監測系統，從而提供包括燃料碎片中子劑量在內的詳細數據。此舉旨在確保碎片清除計劃更加安全高效。

作為該項目的一部分，由北海道大學和日本產業技術綜合研究所（AIST）聯合創辦的初創公司大熊金剛石器件株式會社（Ookuma Diamond Device Co., Ltd.）建立了一套垂直整合的金剛石半導體制造系統，涵蓋從襯底設計到組裝全球首個采用金剛石半導體的差分放大器電路的所有環節。該電路已證實可在高溫環境（300°C）下長期穩定運行，其最新原型如圖所示。

2025年初，有報道稱先進半導體技術領域取得了重大進展。日本產業技術綜合研究所（AIST）與本田研發公司合作，成功制造出氫端金剛石MOSFET原型。這一突破首次實現了安培級高速開關操作，是半導體研發領域的一項重大進步。高枝圭太等人的研究團隊增大了襯底尺寸，并開發了并聯布線技術，從而提高了電流。未來，他們計劃將這項技術應用于下一代移動電源設備。目前，他們正在驗證初步結果，這將為更高電流的金剛石MOSFET的研發鋪平道路。

二、歐洲

歐洲開展了多個項目，其中值得一提的是于2014年1月啟動的“地平線2020”（Horizon 2020）研究與創新框架計劃。該計劃的目標是加強歐盟的科學技術基礎，創建一個歐洲研究區，促進研究人員和知識的自由流動，并推動歐盟向知識型社會和具有競爭力的經濟體邁進。

作為“地平線2020”計劃的一部分，由法國國家科學研究中心（CNRS）協調的子項目“基于金剛石功率器件的綠色電子技術”旨在探索這項前景廣闊的技術的可能性和可行性，并為此組建了一個聯盟。該聯盟匯集了功率器件設計、金剛石生長與表征、封裝與測試以及創新型終端用戶方面的專家。大多數合作伙伴也參與了碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）技術的研究，這使得該項目能夠受益于他們在寬帶隙半導體領域的豐富經驗和成就。

在該項目下發布的眾多重要報告中，作為下一階段工作的一部分，我想特別提及法國公司Diamfab。該公司由首席執行官Gauthier Chicot和首席技術官Khaled Driche于2019年3月創立，隸屬于法國國家科學研究中心（CNRS）下屬的Néel研究所。自成立以來，Diamfab已建立起一個合作網絡，致力于鉆石合成技術的發展，并開發肖特基二極管和MOSFET晶體管等尖端元件（如圖）。

在研究方面，值得一提的是法國國家科學研究中心 (CNRS) 內爾研究所、等離子體與能量轉換實驗室 (LAPLACE，CNRS/圖盧茲理工學院/圖盧茲大學) 以及 DIAMFAB 公司的合作。他們設計了一種金剛石晶體管，實現了 50 mA 的創紀錄體電流傳導。該器件是一種采用體傳導的結型場效應晶體管 (JFET)。

該團隊成功制備了摻雜硼的均勻金剛石層，且無任何有害缺陷。因此，他們得以增大晶體管及其柵極的有效體積，其柵極尺寸達到 14.7 mm，并具有 24 個平行指狀結構。該晶體管不再是簡單的微型演示器件，而是一個真正可用的器件，預示著金剛石晶體管技術擁有良好的發展前景。

愿景：鉆石將引領我們走向何方？

想象一下，效率高達 99.9%、開關頻率高達 1 MHz、無需笨重冷卻系統的電動汽車逆變器。想象一下，超緊湊型太空電源模塊能夠在月球或火星的極端溫度和輻射環境下正常工作。或者設想一下，運行電壓高達 100 kV 的智能電網，其嵌入式傳感器由鉆石集成電路供電。這些愿景聽起來或許有些超前——但 25 年前的 SiC/GaN 也同樣如此。

如果研發持續進行，在未來二十年內，基于鉆石的半導體有望成為超高功率、高可靠性應用的首選平臺。各國政府和私營企業正加大對鉆石研發的投入，將其視為一項具有能源和國防雙重意義的戰略技術。

在半導體領域，材料決定了極限——而鉆石則重新定義了這些極限。雖然商業化應用可能還需要數年時間，但鉆石所展現出的性能上限不容忽視。隨著電力電子技術對更高效率、更高電壓和更小尺寸的需求不斷增長，業界必須密切關注這種珍貴的材料。

正如我們從硅過渡到寬禁帶碳化硅（WGBG）和氮化鎵（GaN），從而推動電動汽車和可再生能源領域的突破一樣，下一個前沿領域很可能就誕生于碳的最堅硬形式——鉆石，它將為終極功率半導體平臺鋪平道路。

正如我們應對以往的創新浪潮一樣，我們這些身處該領域的人必須做好準備——不僅要具備技術實力，更要擁有豐富的想象力和求知欲。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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