在不远的将来，“人手一颗钻石”可能不再是遥不可及的梦想。不过，这颗钻石不是装饰品，而是作为每一台电子设备心脏——芯片——的部件。2023年，一家名为Diamond Foundry（简称DF）的公司创造出了世界上首个单晶钻石晶圆（Diamond Wafer），开启了一场可能颠覆整个半导体行业的技术革命。按照该公司的规划，在2023年以后，他们计划在每个芯片后安装一颗单晶钻石用于散热，到2033年以后，推动钻石材料在半导体行业的应用，如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。


钻石，成为半导体终极材料

自1959年硅晶片诞生以来，半导体工业不断地突破和创新。从硅发展到现在大火大热的碳化硅（SiC）/氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料，再到对氧化镓的探索，产业界始终在探索具有更优导热和电绝缘性能的新材料，以应对不断升级的技术要求。而钻石晶圆，就目前已经探到的材料而言，可以说是终极的半导体材料了。

众多周知，整个半导体产业遵循着摩尔定律已经来到了3纳米，苹果的3纳米芯片已经伴随iPhone15 Pro和Pro max悄然到了消费者手中。随着我们正在向2纳米、1纳米甚至是埃米（Angstrom，1埃=十亿分之一米）级别迈进。依靠现在的硅基材料显然是有很大难度的，物理极限的问题不断显现，热挑战也在困扰着行业。与当今现有的材料相比，钻石展现了其多项超群的特性。

首先，按照DF公司的说法，他们可以实现将钻石直接以原子方式与集成电路晶圆粘合，晶圆厚度可以达到埃级精度，这不仅凸显了其粘合精度之高，而且为半导体产业未来向纳米甚至埃米级别进展提供了坚实的技术基础。

其次，单晶钻石是已知热导率最高的材料。典型的硅的热导率为150W/（m·K），铜（Copper）是380W/（m·K），而钻石的热导率远高于硅和铜，高达2400W/（m·K），，这就意味着它能更有效地传导热量，使集成电路能够更快地运行且寿命更长。

钻石还有一个很大的优势是极高的绝缘性。衡量不同材料绝缘性好坏的一大重要指标是击穿电场强度，表示材料能承受的最大电压不造成电击穿。作为对比，硅材料的击穿电场强度为0.3 MV/cm左右，SiC为3 MV/cm，GaN为5 MV/cm，而钻石则为10 MV/cm。而且即使是非常薄的钻石切片也具有非常高的电绝缘性，能够抵抗非常高的电压。这对于功率电子学领域中的器件微型化是非常重要的。

因此，凭借极高的导热性和电绝缘性以及可与集成电路晶圆直接粘合的特点，使得钻石成为理想的半导体基底材料。


世界上首个110克拉、晶圆大小的钻石是如何制造出来的？

创造出世界首个DF公司的创始团队由麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学的工程师组成，大约2012年之前，他们还是一家太阳能发电科技公司，但是该公司由于某些原因在商业上失败了，然而他们却发现类似太阳能的技术却可以生产更高价值的钻石。因此，自2012年开始，该团队开始设计生长钻石的等离子体反应器，2014年启动了第一个等离子体反应器。2015年他们生产出了第一颗单晶钻石。2016年他们的钻石开始大量生产，被消费者抢售一空。事实证明，钻石确实是一门好生意，很快该公司就实现了盈利。

他们开始制造越来越大的钻石，并开始追求半导体晶圆大小的钻石。2023年10月，他们成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。

这不是易事，长期以来，生产晶圆大小的单晶钻石一直是难以实现的技术圣杯。单晶钻石的制造过程一直受到两大技术挑战的制约：

一方面，使用传统的高压高温（HPHT）技术培育大尺寸单晶钻石所需承受的压力远超任何已知材料的极限；

另一方面，按照单晶材料生长的基本原则：在生长单晶材料时，通常需要一个已有的同种材料的单晶体作为“种子”，这个种子会指导新添加的原子在何处正确地定位自己，以保持原有的晶体结构不变。简单来说，就像是在已有的秩序排列的队列中加入新成员，如果没有一个明确的示范，新来的成员就不会知道如何加入队列以保持队列的整齐。在单晶生长的情况下，这种“队列”的秩序是原子排列的规则性和周期性，也就是晶格结构。如果没有一个模板来指导这种秩序的创建，那么新增加的原子就无法形成所需的单晶结构，可能会导致多晶或非晶结构的形成，这些结构的性质与单晶大不相同。

因此，要想采用薄膜原子分层技术制造钻石则需要一个与晶圆同样大小的基体来指导原子沉积，但世界上并不存在晶圆大小的钻石，必须要弄清楚如何制造第一个用于生产更多晶圆的“母”晶圆。

DF公司首先采用了一种称为钻石晶圆异质外延的极其复杂的技术，据其官网的描述：“我们制造的设备能够精确控制十个原子层如何撞击硅晶片上铱和钇稳定氧化锆的纳米级特殊夹层，我们设法让前十个原子误以为底部有单晶钻石，而实际上并没有，从而为后续单晶钻石的制造奠定了基础。”

然后在其等离子体设备中利用晶锭生长反应堆技术，严格控制钻石单晶的生长过程。据悉，他们为生产的每克拉钻石收集超过10亿个数据点，在生长过程中动态调整这些参数。

实现单晶钻石晶片的挑战并不止于制造出晶圆大小的母晶。接下来的挑战是如何切割地球上最坚硬的材料。他们为此又开发了晶圆切割机，用来将单晶钻石锭切割成薄片。

接下来就是要对切割下来的薄片进行表面抛光。为了能够嵌入原子尺寸的晶体管，钻石晶圆片也必须要满足现在半导体晶圆的表明要求。

为了能将他们制造的钻石晶圆应用到半导体行业当中去，DF公司又开发了芯片键合技术。能与当今众多的大功率硅芯片、SiC功率芯片以及GaN通信芯片直接进行原子化连接。为更多的应用带来无限的潜力。

可以说，DF这家公司以其革命性的技术，已经打通了钻石材料在半导体行业应用的全流程。接下来就看其在各应用当中的潜力了。


晶圆厂家的进步促进研发

金刚石半导体研发被限制的主要原因之一是金刚石晶圆的直径尺寸过小，无法满足需求。产总研下属企业一一EDP株式会社（日本大阪府丰中市，以下简称为：“EDP”）自2009年创业之初就以扩大晶圆尺寸为使命，长期以来在半导体行业一直默默无闻、研发新技术，以促进企业增长。

企业状况的好转源于宝石(钻石)市场的兴起。作为饰品的钻石，一般以天然钻石受人们欢迎，而人造钻石的价值较低。在2015年一一2019年期间，大型钻石厂家赋予人工钻石以高昂的价值，从而使饰品类人工钻石的市场迅速扩大。而EDP公司的单晶金刚石作为晶种，需求骤增，成为了企业增长的“催化剂”。因此，2022年EDP成功上市，并获得了可以保证半导体晶圆研发的资源基础。

由于全球经济情况直接影响用作饰品的金刚石市场，因此EDP公司近期的业绩一直低迷。但是，中长期来看，考虑到发展中国家的环境保护问题、劳动者权利保护问题等因素，天然钻石转为人工钻石这一趋势是不会变化的，EDP公司作为半导体方向金刚石的支撑性企业，其地位会越来越重要。

此外，Orbray株式会社也在积极推进金刚石材质的晶圆业务。“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）金刚石晶圆的生产方法，如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。目标是未来生产出4英寸、6英寸的晶圆。此外，除了半导体应用方向外，“Orbray”还在利用其它生长方法研发用于量子计算机的超高纯度晶圆，并以实现商用为目标。

半导体晶圆的研发工作、扩充产能工作目前都处于发展阶段，“与以往相比，现在更容易获得用于研发的晶圆”（金刚石半导体研发技术员）。如今，如果某位研究员对研发型晶圆抱有兴趣，即可轻松获得实物，与以往相比，已有明显的进步。


越来越多的单位在推进金刚石半导体的实用化

如今，已经有越来越多的单位正在将金刚石半导体从研发阶段推向实用化。日本佐贺大学的嘉数诚教授已经对研发金刚石半导体研发了二十多年。大概五年前，嘉数诚教授了解到“Orbray”的金刚石晶圆，并认识到可以用作研发，从此双方开启了共同研发之路。2022年5月，双方利用2英寸晶圆，研发出了输出功率为875MW/cm2（为全球最高）、高压达2568V的半导体。就此次研发成果而言，作为金刚石半导体其性能首屈一指，而且，从半导体的性能来看，仅次于美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，简称为：“MIT”）利用氮化镓（GaN）实现的成果。

嘉数诚教授认为，必须要把对半导体的验证工作从研发阶段推向实用阶段，并提出了五年内研发出金刚石晶体管的目标。此外，嘉数诚教授还在和封装（Packaging）、键合（Bonding）等周边技术相关的企业共同推进研发，同时也在测定晶体管的寿命、以验证其长期信赖性。此外，嘉数诚教授还计划通过试做功率电子线路，以验证其工作情况。

此外，日本产总研也在有效利用其长期积累的“一条龙”式（从结晶生长、晶圆加工，到制成芯片）的技术经验，以推进芯片的实用化。其目标是利用大面积芯片（Chip）实现现有芯片所要求的性能（如电流值、电压值等）。其方针是晶圆、芯片同时“两手抓”。

2022年8月，诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，即日本早稻田大学下属的Power Diamond Systems（简称为：“PDS”）。该公司的目标是把金刚石半导体行业的先驱一一川原田洋教授的研发成果推向实用化。

川原田教授曾利用金刚石半导体的基础技术（氢终端表面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。川原田教授的研发成果成为了PDS公司的核心技术，但PDS公司还计划与外部企业合作共同进一步进行研发，而不是单纯的“闭门造车”。PDS计划诸多企业（如晶圆厂家、功率半导体厂家、电气设备厂家等）、大学、研发机构合作，以实现金刚石半导体的实用化。PDS的目标是构筑一个从材料、芯片，到系统的完整生态系统，以实现该司成为业界“主角”的目标。


国产实力落后，垄断格局前或可成形

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。