中国粉体网讯 金刚石作为宽禁带甚至超宽带隙半导体材料的一员（禁带宽度5.5eV），具有优异的物理和化学性质，是研制大功率、高温、高频等高性能半导体器件的理想材料，被行业誉为“终极半导体材料”。
金刚石半导体，有何优势
金刚石是一种由纯碳元素组成的单质，与石墨、纳米碳管、富勒烯等均属同素异形体，是一种集声、光、热、力、电，以及量子等众多优异性能于一身的多功能超极限材料。
金刚石最引人关注的性质是其电子学（半导体）特性。它具有超宽禁带、高载流子迁移率、高热导率和低介电常数等优异的电子学性质，基于金刚石材料的半导体器件有望在高频、大功率和高温高压，以及极端环境中运行。金刚石通过掺杂等方式可呈现n型导电和p型导电，综合性能远超GaAs、GaN和SiC等材料，是未来最有前景的（超）宽禁带半导体材料。
主要宽禁带材料的参数对比
由于金刚石的超宽带隙，在半导体领域中，它既能作为有源器件材料（如场效应管和功率开关），也能作为无源器件材料（如肖特基二极管等）。宽禁带半导体材料制造的新一代电力电子可以更小、更快、更可靠和更高效，从而减少电力电子元件的质量、体积及生命周期成本，并允许设备在更高的温度、电压和频率下工作。
基于这些潜在优势，金刚石半导体在电力电子设备、家用电器、新能源汽车、移动电话基站等系统中均具有广泛的应用前景。
根据Virtuemarket的数据，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2024-2030年的预测期内，该市场预计将以复合年增长率12.3%增长。其认为，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衬底市场。
金刚石半导体，面临挑战
金刚石半导体材料虽优越，但面临成本高昂和金刚石晶片尺寸小等限制。碳化硅成本是硅的30-40倍，氮化镓更是高达650-1300倍，金刚石材料价格更是硅的10000倍。
为了解决生产应用方面的问题，不少公司都在努力攻关金刚石量产的相关技术。
日本佐贺大学与Orbray成功制造2英寸金刚石功率半导体，目标是未来生产出4英寸、6英寸的晶圆。2024年6月，Orbray与Element SiX（元素六）达成战略合作，共同生产“全球品质最高的单晶金刚石晶圆”，此次合作再次体现其对工业重视及布局领先性。
“Orbray”研发的2英寸金刚石晶圆
2023年10月，美国Diamond Foundry则制造出直径约4英寸的单晶钻石晶圆，这些晶圆可以和硅芯片一同使用，快速传导并释放芯片所产生的热量。
法国Diamfab公司也在金刚石芯片技术上取得进展，今年3月获得870万欧元首轮融资，由Asterion Ventures、法国政府等投资者支持。Diamfab在金刚石外延和掺杂技术上取得突破，拥有四项专利，专注于金刚石层生长、掺杂及电子元件设计。Diamfab的金刚石技术实现高电流密度和击穿电场，超越SiC等现有材料，计划2025年实现4英寸晶圆生产。
图源：Diamfab官网
2024年4月，韩国基础科学研究所的材料科学团队在《自然》杂志刊文，宣布成功在标准大气压和1025°C下实现钻石合成，该制备方法有望为金刚石薄膜的生产开创一条成本更低的道路。
尽管全球在金刚石量产商用上均有挑战，但金刚石材料的优异特性有望在未来推动半导体材料领域取得重要进展。
写在最后
我国金刚石产量高，但在功能性高端领域及材料开发上仍滞后。在金刚石半导体领域，美、欧、日处于领先地位，而国内在这一方面的研究长期处于空白状态。
2013年，作为西安交大引进的国家级特聘专家人才，王宏兴组建了西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心，带领团队科研人员开始攻关，历经10年潜心研发，目前已形成具有自主知识产权的金刚石半导体外延设备研发、单晶/多晶衬底生长、电子器件研制等系列技术，可批量化提供1~2英寸的大面积高质量单晶金刚石衬底，有力支撑和推动我国金刚石半导体产业发展。
总之，金刚石半导体在新材料、新器件、新技术等方面的不断创新和发展，为各行各业带来了更广泛的应用前景。2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到西安交通大学王宏兴教授出席本次大会并作题为《金刚石半导体的新进展》的报告，将结合金刚石掺杂、器件设计等方面，清晰展现金刚石半导体前沿技术、材料和实践有机结合的产业全景。
专家简介
王宏兴，西安交通大学电信学院电子科学与技术系，教授/博士生导师，电子物理与器件教育部重点实验室主任，美国电气学会（IEEE）、日本应用物理学会（JSAP）、日本电气学会（IEEJ）、美国显示学会（SID）和美国化学学会（ACS）委员、陕西省真空学会理事长。长期从事宽禁带半导体材料、器件、设备的研发，获国家科技进步三等奖1项，主持科研项目10余项，申报和获得发明专利100余项，发表SCI收录论文120余篇。
参考来源：
1.西安交大官网，海光智能科技，中国粉体网
2.半导体行业观察：钻石芯片，商用在即
3.高旭辉. 金刚石—终极半导体的“破茧”之路.科学咨询
4.杜昊临等. 金刚石半导体器件研究概述.科技论坛
（中国粉体网编辑整理/轻言）
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