金剛石半導體，一路向西

今年 3 月，新疆潤晶科技有限公司投資建設的金剛石生產線在哈密高新技術產業開發區南部循環經濟產業園迎來首批產品下線。這一具有里程碑意義的事件，不僅標誌着新疆首條金剛石生產線正式投產，更拉開了我國新疆地區乃至整個西部地區金剛石產業蓬勃發展的大幕。

被稱爲終極半導體的金剛石

長期以來，金剛石因其審美價值而受到重視。但如今，在氮化鎵和碳化硅之後，金剛石作爲一種新型半導體材料闖入了大家的視線當中，並引發了研究人員和行業專家的關注。

金剛石半導體具有超寬禁帶（5.45eV）、高擊穿場強（10MV/cm）、高載流子飽和漂移速度、高熱導率（22 W/cmK）等材料特性，遠超第三代半導體材料 GaN 和 SiC。並且它還擁有優異的器件品質因子（Johnson、Keyes、Baliga），採用金剛石襯底能夠研製出適用於高溫、高頻、大功率以及抗輻照環境的電子器件，有效克服傳統器件面臨的 “自熱效應” 和 “雪崩擊穿” 等技術難題，在 5G/6G 通信、微波 / 毫米波集成電路、探測與傳感等前沿領域發揮着至關重要的作用。

值得一提的是，金剛石具有高達 80meV 的激子束縛能，這使其在室溫下就能實現高強度的自由激子發射，發光波長約爲 235nm。這一特性讓它在製備大功率深紫外發光二極管方面極具潛力，同時在極紫外深紫外和高能粒子探測器的研製中也佔據重要地位。

使用金剛石電子器件優勢明顯，它不僅能夠大幅減輕傳統半導體的熱管理壓力，而且能源利用效率更高，還能承受更高的擊穿電壓，適應惡劣的工作環境。

例如，在電動汽車中，基於金剛石的功率電子器件可以實現更高效的功率轉換、延長電池壽命以及縮短充電時間；在電信領域，尤其是在5G及更高級別網絡的部署中，對高頻和高功率器件的需求日益增長。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統，包括射頻開關、放大器和發射器；消費電子領域，單晶金剛石基板可以推動更小、更快、更高效的智能手機、筆記本電腦和可穿戴設備組件的開發，從而帶來新的產品創新並提高消費電子市場的整體性能。

在特性優勢和廣闊應用前景驅動下，金剛石在半導體產業鏈的多個環節都展現出巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝到微納加工，再到 BDD 電極及量子科技應用，金剛石正穩步滲透到半導體行業的各個關鍵領域，成爲推動技術創新與產業升級的重要力量。

金剛石產業化近在眉睫

當前，金剛石半導體正處於從研發走向實際應用的關鍵階段，雖然在導熱襯底、輻照探測器等領域已取得一定的應用成果，但仍然面臨諸多挑戰。高質量半導體金剛石材料的製備、摻雜、加工以及器件工藝等方面的科學和技術問題尚未得到徹底解決。金剛石導電性能差且難以有效調控，晶片尺寸較小，這些問題嚴重製約了其半導體技術的進一步發展。此外，金剛石半導體電子器件的關鍵技術尚未取得實質性突破，應用市場也有待進一步開拓。

電子級金剛石產業化面臨着諸多亟待攻克的難題：首先，在金剛石半導體級材料生長設備方面，需要構建新型多目標微波諧振腔優化方法，針對大尺寸、高均勻度及高等離子體密度對設備進行優化，確保在大尺寸條件下實現高速、高品質的生長；其次，實現金剛石的高效體摻雜激活以及室溫高性能 pn 結，仍然是全球範圍內尚未解決的難題；再者，金剛石屬於超硬材料，要使其達到硅或碳化硅拋光片的面型和粗糙度標準，滿足“襯底級” 要求，金剛石的磨削加工技術還有待大力突破。氫終端金剛石雖已完成微波單片集成電路（MMIC）功能驗證，但存在遷移率低和穩定性不足的問題；硅終端金剛石憑藉更高的電導率和穩定性展現出更大的商用潛力，然而其複雜的工藝目前仍處於研究初期。

大尺寸的金剛石襯底材料較爲稀缺，雖然可以通過異質外延襯底、襯底拼接等方法獲取大尺寸外延材料，但內部缺陷較多。例如，目前 4 - 8 英寸的金剛石異質外延晶圓位錯密度接近 10⁷cm⁻² ，這對器件的性能和良品率產生了嚴重影響。此外，金剛石半導體的製備成本居高不下，與硅相比差距較大，這在很大程度上限制了其在大規模商業領域的應用。不過，令人振奮的是，相關研究在近期取得了重大進展。

2024 年 12 月 19 日，北京大學研究團隊開創性地研發出能規模化生產大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜的新技術。這一突破對於金剛石在半導體領域的應用意義非凡，大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜可應用於柔性電子器件、高功率射頻器件等多個領域，極大地拓展了金剛石的應用範圍。

與此同時，中國科研團隊在高溫高壓條件下發現了石墨經由後石墨相形成六方金剛石的全新路徑，並首次成功合成出高質量六方金剛石塊材。研究發現，六方金剛石具有比立方金剛石更高的硬度和良好的熱穩定性。這一成果不僅爲純相六方金剛石的人工合成提供了有效途徑，有力證明了其獨立存在，還爲超硬材料和新型碳材料家族增添了一位性能卓越的新成員，爲突破立方金剛石的應用侷限帶來了新的可能。

高效摻雜同樣是金剛石半導體材料面臨的一大挑戰。在 CMOS 集成電路製造過程中，如同傳統硅電子器件一樣，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET。

日本國立材料研究所（NIMS）的一個研究小組開發出了世界上第一個n 通道金剛石 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。這一突破標誌着實現基於金剛石的 CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路邁出了重要一步，使其能夠在極端環境中使用，並推動了基於金剛石的電力電子的發展。該國立材料科學研究院的研究團隊開發出一種技術，通過在金剛石中摻雜低濃度的磷，在原子水平上生長出具有光滑平坦梯級的高質量單晶n型金剛石半導體。利用該技術，該團隊在世界上首次成功製造出n溝道金剛石MOSFET。

此外，有專家預測，未來3—5 年 4 英寸金剛石襯底有望實現量產，其優異的電導特性有望破解寬禁帶半導體缺乏高效 p 型器件這一全球難題。

隨着各項技術不斷取得突破，金剛石半導體產業化已迫在眉睫。

我國在這一領域也不甘落後。西安交大寬禁帶半導體材料與器件研究中心實現了2英寸金剛石的產業化。在國內率先實現了2英寸單晶金剛石的製備技術，填補了國內空白，目前的指標已經優於國外最好水平，生產的單晶金剛石材料已經廣泛應用於我國5g通訊，爲高頻、 大功率探測企業提供了核心材料與技術支撐。近年來，西安交大研究團隊採用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）技術，還成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化。

西部金剛石產業佈局

隨着技術逐漸突破，各地紛紛加快佈局金剛石相關項目，尤其是電子級金剛石項目。在新疆等西部地區，相關項目呈現出密集上馬的態勢。

3 月 3 日，新疆生產建設兵團第十師北屯市與北京卓融和遠科技發展有限公司正式簽署半導體材料項目合作協議。該項目總投資 40 億元，將落戶北屯經濟技術開發區，專注於第三代半導體新材料的研發與生產，重點發展金剛石、碳化硅等寬禁帶半導體材料。

3 月 4 日，新疆潤晶科技有限公司投資建設的金剛石生產線首批產品下線，成爲新疆首條投產的金剛石生產線。按照規劃，該項目產能將達到 10 億克拉（即 200 噸）。目前，該公司正聯合地方政府規劃建設佔地 500 畝的金剛石產業園，已吸引 12 家上下游企業達成入駐意向，涵蓋設備製造、精密加工等配套環節。計劃在三年內打造從原材料到終端產品的完整產業鏈，帶動哈密新材料產業規模突破 50 億元。

3月18日，新疆碳基芯材科技有限公司總投資超20億元的年產150萬克拉金剛石項目簽約落地，以“硬科技+綠動能”雙輪驅動，劍指國內高端工業金剛石35%市場份額，年產值預計突破12億元。該項目採用全球領先的MPCVD-Ⅲ型智能沉積系統，單爐生長速率高達30μm/h，較傳統工藝提升5倍。這一技術突破直接指向電子級金剛石的核心痛點——生長效率與純度。目前，項目一期規劃建設20臺工業級沉積設備，年產50萬克拉純度達99.999%（5N級）的電子級金剛石，並重點攻關8英寸單晶襯底技術，爲半導體領域提供“終極襯底”材料。項目二期將開發金剛石量子傳感器，應用於北斗導航芯片抗輻射封裝。金剛石中氮空位（NV色心）的量子特性，可大幅提升導航系統在極端環境下的穩定性。項目三期將聯合中科院破局功率器件，建設金剛石基GaN功率器件中試線，解決5G基站、新能源汽車等領域的高頻高壓器件散熱難題。

4月9日，總投資4.7億元的新疆臻星新材料科技有限公司木壘12.55萬克拉人造金剛石項目正式開工建設。此項目佔地60畝，採用國際領先的化學氣相沉積（CVD）技術。該技術憑藉高效、環保、低成本以及能夠生產大尺寸產品的突出優勢，可實現大尺寸、高純度金剛石單晶的大規模量產，所生產的產品質量更是達到了國際領先水準。據瞭解，該項目建設週期預計6個月，2025年10月竣工。項目建成後，一期預計實現年利潤總額1億元。產品主要聚焦於高精度機械加工工具、半導體熱沉片、航空航等核心材料領域，深度融入新能源汽車、芯片製造、國防軍工等戰略性新興產業，發展前景十分廣闊。

此外，還有一批相關項目正在審批中。新疆之所以密集佈局金剛石相關項目，主要在於產業驅動，包括石油鑽探、西電東送等。

目前新疆新能源產業體系已構建成型，綠色能源正源源不斷地向外輸出，而這有賴於超高壓輸電。而金剛石半導體憑藉超寬禁帶、高擊穿場強、高載流子飽和漂移速度、高熱導率等材料特性，能提供比第三代半導體更優異的解決方案。

此外，在石油鑽探領域需要超硬材料作爲鑽頭。而金剛石可以用於各類鑽頭的塗塑，增加鑽頭的硬度。以金剛石成品生產爲牽引，可以形成包括石墨開採、刀具加工、金剛石和鑽石加工在內的全行業產業鏈。而且金剛石還可以用於製造量子傳感器，在石油勘探過程中，量子重力儀和磁力儀（一種量子傳感器的應用）可用於高精度地質結構探測，提高石油勘探的準確性和效率，降低勘探成本。