近日，总部位于加利福尼亚州旧金山的Diamond Foundry Inc宣布制造出了世界上第一块直径为100毫米的单晶金刚石晶圆。

该公司计划提供金刚石基板作为改善热性能的途径，这反过来又可以改善人工智能计算和无线通信以及更小的电力电子设备。

该公司使用一种称为异质外延的工艺来沉积碳原子，并在可扩展的基底上制造单晶金刚石。以前已经生产过金刚石晶片，但它是基于压缩金刚石粉末，缺乏单晶金刚石的特性。

Diamond Foundry 表示，其下一个目标是降低金刚石晶圆的缺陷密度，以实现比Si高 17,200倍、比SiC高60倍的品质因数。

目前，Diamond Foundry在华盛顿州经营一家钻石和晶圆生产工厂。

据悉，该公司成立于2012年，业务涉及珠宝和奢侈品市场以及半导体行业。该公司在其 Linkedin 网站上表示，已获得 5.15 亿美元的融资，并正在执行一项数十亿美元的扩张计划，利用零排放能源将温室气体转化为金刚石Si片。

据他们所说，公司可以通过将金刚石以原子方式粘合到以埃级精度减薄的集成电路 (IC) 晶圆上，实现了最终的热芯片封装。


突破尺寸的限制

金刚石单晶是终极半导体材料。它结合了出色的结晶度、极高的击穿电压、出色的电学性能和极高的导热系数。

限制当前金刚石衬底尺寸的是高温高压生长中使用的砧座的尺寸。我们用我们的异质外延方法避免了这个问题，包括在异质衬底上生长金刚石。经过对硅、碳化硅、碳化钛、镍、铂、钴和铱作为潜在衬底的研究，我们发现铱是最好的衬底。它是具有最高形核密度的元素，超过1108 cm-2。遗憾的是，由于没有大表面积的单晶Ir衬底，因此人们研究了Ir-On-MgO、YSZ-on-Si和STO-on-Si等材料体系。

对这些复合材料的生长研究表明，根据X射线衍射，最好的金刚石材料质量来自于在Ir-on-MgO复合材料上的生长。该平台在(004)和(311)面上分别产生了281弧秒和534弧秒的衍射峰的半峰宽。(004)半峰宽体现了倾斜成分，而(311)半峰宽揭示了扭转成分。

为了提高晶体结晶质量，我们在生长的早期阶段引入了金刚石微图案和微针。这些微图案导致外延横向生长，从而降低了位错密度；而微针释放异质外延应变，导致自然分层，从而产生没有裂纹的自支撑金刚石晶体。

蓝宝石以其高质量、低成本和相对较大尺寸的可获得性而闻名，这些特性导致它被用作生长氮化物的衬底材料。由于这些优势，我们采用它来生长金刚石，而Ir提供了一个中间层。从热膨胀系数的角度来看，蓝宝石的a轴和c轴分别为4.210-6 K-1和5.310-6 K-1，高于金刚石的1.510-6 K-1，但仍远低于氧化镁的12.810-6 K-1。

在过去的三十年里，常见的宽带隙材料的可用衬底尺寸一直在增加。我们为自己设定的目标是在2025年生产4英寸的金刚石衬底，在2030年生产8英寸的衬底。在直径增加的同时，如果金刚石衬底广泛应用，就必须降低成本。

高昂的生产成本主要是因为抛光金刚石的相关费用，金刚石是一种非常坚硬的材料。虽然没有讨论抛光技术的细节，但我们相信会有削减成本的进步空间。到2030年，我们打算以与目前可用的2英寸GaN衬底相同的价格生产2英寸金刚石衬底。

国内金刚石半导体发展现状

金刚石作为一种硬度极高的材料，最早人工制备的用途主要在刀具、钻头、磨具、线锯、锯片、拉丝模等工业加工耗材上。实际上，自1963年成功研制出第一颗人造金刚石后，经过60多年的发展，目前中国已经是世界上人造金刚石产量最高的国家，占全球总产量90%以上。

不过中国金刚石产业主要集中在中低端应用市场，就像前面提到的工业加工领域。当然，在珠宝领域的人造钻石市场也在国内蓬勃发展，但在功能性应用的领域，国内对金刚石材料的开发则较为落后。

西安电子科技大学芜湖研究院副院长王东曾在报告中提到，国内金刚石发展大而不强，在高端装备、电子级材料等众多领域处于落后。在CVD金刚石研究领域，从专利分布来看，美国、欧洲、日本的研究处于领先地位，我国发展相对缓慢，原创性研究偏少。

在“十三五”重点研发计划支持下，国内拼接外延大尺寸金刚石单晶已经达到国际并跑的水平；在异质外延单晶方面，国内已经取得开创性进展，但尺寸和质量仍存在较大差距，计划“十四五”实现追赶或超越。

其中，半导体应用中高载流子迁移率寿命乘积的电子级、探测器级单晶至今仍是英国元素六公司的垄断产品，国内仍有待攻克。

但作为一种新兴的材料，相比于硅基半导体，市场格局仍远未形成垄断，在半导体领域商业化仍未实现规模化，因此未来仍有很大的市场机会。