正文
钻石功率半导体由合成钻石制成，由于热导性和其他特性，被称为 “终极半导体材料”。其性能比现有材料超出一个量级，随着日本研究有所进展，正逐渐接近商业化的可行性。
金刚石，这一珍贵的宝石，如今在半导体领域正绽放出耀眼的光芒，被称为“钻石功率半导体”的它，由合成钻石制成，以其卓越的热导性和其他特性，被誉为“终极半导体材料”。其性能之强大，远超现有材料，电气强度约是硅的 33 倍，可在约五倍热的环境中运行，电力损耗更是可减少到硅制产品的五万分之一。与备受关注的碳化硅和氮化镓相比，金刚石的性能也远高于它们，以巴利加系数来看，金刚石的性能是碳化硅的 80 倍以上，是氮化镓的 10 倍以上。
Orbray公司与佐贺大学制造的2英寸晶圆
金刚石功率半导体的应用前景极为广阔。它有望用于需要大量稳定电源的领域，如电动车、飞天车和发电站等。其耐高温和抗辐射的特性，也使其在核能和太空等领域有着巨大的潜力。然而，金刚石作为半导体材料并非一帆风顺，它面临着诸多困难。由于其硬度极高，很难按电子设备所需的精度进行研磨和加工。而且，长时间用于半导体也可能出现变质的情况。此外，成本问题也严重影响着金刚石芯片的商业化进程。尽管如此，经过近几年的长足进步，金刚石半导体预计将在 2030 年间进入商业化阶段，这无疑为半导体产业带来了新的希望。日本在金刚石芯片领域的研发处于领先地位。2021 年 9 月，日本东京精密组件制造商 Orbray 与日本佐贺大学合作，成功开发了超高纯度的 2 英寸金刚石晶圆。次年 5 月，双方再次携手，利用 2 英寸晶圆研发出了输出功率为 875MW/cm2（全球最高）、高压达 2568V 的半导体。2023 年，双方的合作继续深化，Orbray 与丰田旗下车载半导体研发企业 Mirise Technologies 签订协议，共同研发金刚石功率半导体。同时，日本佐贺大学也在不断取得突破，开发了世界上第一个使用金刚石半导体器件的功率电路，并将金刚石半导体应用于太空通信的微波传输半导体。此外，日本初创公司 Power Diamond Systems 开发的钻石组件可处理世界领先的 6.8 安培电流，计划几年内开始出货样品；新创 Ookuma Diamond Device 在福岛县建厂，将量产钻石半导体，目标 2026 年开始营运。JTEC Corporation 则凭借独特的电浆抛光技术，成功抛光世界领先尺寸的单晶钻石基础材料，获得加工钻石材料的开发设备订单。欧美国家也在积极投入金刚石半导体的研发。Element Six 作为人造金刚石先进材料的全球领导者，正主导美国国防高级研究计划局的超宽带隙半导体计划的一部分，开发使用单晶金刚石衬底的超宽带高功率半导体，并与多个半导体行业关键参与者建立战略合作伙伴关系，包括与日本 Orbray 达成战略合作，共同生产“全球品质最高的单晶金刚石晶圆”。Diamond Foundry 培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片，直径为 100 毫米、重量 100 克拉，目前已经可以在反应炉中培育出 4 英寸长宽、小于 3 毫米厚度的钻石晶圆，并开发了一套技术为每个芯片植入钻石。Advent Diamond 解决了关键技术难题，成功创建 n 型半导体，还在研发基于钻石的辐射探测器。
Diamond Foundry 制作的热量情况对比图在中国，2023 年 11 月，华为与哈尔滨工业大学联合申请专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》，通过 Cu/SiO2 混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成。今年 3 月，华为又与厦门大学合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，将多晶金刚石衬底集成到 2.5D 玻璃转接板封装芯片的背面，并研究其散热特性。早在五六十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮。虽然金刚石芯片在实现大规模生产和应用方面还面临着诸多挑战和限制，但它已在半导体链中展现出活力与应用潜力。相信随着技术的不断进步，金刚石芯片有望在未来的半导体领域发挥更加重要的作用。
