金剛石作為一種具有優異物理和化學特性的材料，被譽為“終極半導體”，在電子器件領域展現出巨大的應用潛力。近日，新疆碳基芯材科技有限公司（以下簡稱“碳基芯材”）先后與新疆疏附廣州工業城（園區）管理委員會和新疆和田地區皮山縣簽約，計劃在金剛石8英寸單晶襯底、金剛石量子傳感器以及金剛石基GaN功率器件等領域取得突破。

       據了解，碳基芯材與新疆疏附縣簽約的年產150萬克拉金剛石芯片襯底項目總投資約24億元，分兩期建設。一期投資約12億元，計劃于2025年3月開工建設，并于年底建成投產，投產后，年產值達7億元以上。

       與新疆和田地區皮山縣簽約的年產150萬克拉金剛石項目分三期建設：一期將建設20臺工業級沉積設備，年產50萬克拉電子級金剛石，純度達99.999%（5N級），重點突破8英寸單晶襯底技術；二期將開發金剛石量子傳感器，應用于北斗導航芯片抗輻射封裝；三期將聯合中科院打造金剛石基GaN功率器件中試線。據了解，該項目將采用全球頂尖的MPCVD-Ⅲ型智能沉積系統，單爐生長速率達30μm/h，較傳統工藝提升5倍。

       金剛石因其優異的熱導率、高擊穿電場強度和寬禁帶寬度，被視為下一代半導體材料的理想選擇。然而，制備大尺寸、高質量的金剛石單晶襯底一直是技術難點。目前，全球范圍內，金剛石單晶襯底的制備技術正逐步取得突破。

       早在2021年，日本Orbray采用異質外延法已開發出 2 英寸金剛石晶圓的量產技術。他們開發了一種創新的階梯流動生長技術，用于生長符合工業應用需求的2英寸金剛石晶體。充分利用藍寶石基底技術，精確控制基藍寶石晶圓。傾斜的Ir/藍寶石表面使得金剛石晶體沿水平方向生長，從而緩解了生長過程中的應力積累?，F在，該公司正在向4英寸的襯底晶圓目標奮進，計劃在 2029 年上市。在合作方面，去年6月公司宣布與Element Six公司達成戰略合作，共同生產高品質晶圓級單晶合成金剛石。

       2023年10月，美國Diamond Foundry成功制造出全球首塊直徑100mm（約4英寸）、重110克拉的單晶金剛石晶圓。此外，其歐洲子公司Diamond Foundry Europe將投資8.5億美元（約62億人民幣）在西班牙特魯希略建設金剛石晶圓廠，計劃于2025年開始生產單晶金剛石芯片，年產能可達400萬至500萬克拉。

       法國Diamfab公司也在歐洲市場展現出一定的競爭力。該公司專注于人造金剛石的外延和摻雜，在薄金剛石層生長和電子元件設計方面擁有四項專利。公司目標是到2026年將金剛石晶圓尺寸拓展至4英寸。相較于傳統硅基半導體，金剛石器件所需晶圓面積更小，成本更低。

       日本大熊金剛石元件公司去年宣布在 Pre-A 輪融資中籌集了約 40 億日元，將用于建設金剛石半導體工廠。

       在半導體領域，隨著5G通信、人工智能、物聯網等新興技術的發展，對高頻、高功率、高效率半導體器件的需求不斷增加。金剛石晶圓作為潛在的第四代“終極半導體”材料，其在半導體芯片襯底、高頻功率器件等方面的應用潛力將逐步釋放。然而，作為一種新興材料，金剛石晶圓市場格局仍遠未形成壟斷，在半導體領域的商業化仍未實現規?；?，因此未來仍有很大的市場機會，國內企業有望在這一領域脫穎而出。

       西安交通大學王宏興教授團隊采用MPCVD技術，成功實現2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底的量產，填補了國內在大尺寸金剛石襯底產業化領域的空白。通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調控，提高了異質外延單晶金剛石成品率。

       中國科學院半導體研究所金鵬團隊在大尺寸金剛石單晶異質外延生長方面也取得了顯著進展。研究團隊采用銥（Ir）復合襯底結合偏壓增強成核技術，成功在異質襯底上生長出高質量的金剛石薄膜。

       寧波晶鉆科技股份有限公司在同質外延生長技術方面也取得了顯著突破。該公司于2023年底成功制備出3英寸CVD單晶金剛石，并已實現穩定批量化生產。近日公司再次刷新紀錄，制備出尺寸為60毫米×60毫米（約3.35英寸）的單晶金剛石片，正向4英寸以上的單晶金剛石制備發起沖刺。

       化合機電金剛石晶圓產品熱導率高達1000-2000W/m；晶圓級金剛石生長面表面粗糙度(Ra)<1nm；可用于鍵合工藝;可定制金剛石晶圓大小及厚度，在尺寸上包含2/3/4英寸等類型。

       鵬城半導體是國內首家可以生長大尺寸的微米晶納米晶CVD金剛石晶圓片，在光電子、大功率器件和高頻微波器件等應用方面有著廣闊的前景。

       盡管在金剛石單晶襯底制備技術上取得了諸多進展，但要實現8英寸金剛石單晶襯底的制備仍面臨巨大挑戰。首先，金剛石的生長速率較低，制備大尺寸晶體需要長時間的生長過程。其次，隨著晶體尺寸的增大，晶體內部的應力和缺陷也會增加，影響晶體的質量和性能。此外，金剛石的硬度接近于自然界中最高的材料，這給晶片的切割、拋光等后續加工帶來了極大的困難。

       然而，隨著研究的深入和技術的不斷突破，金剛石單晶襯底的尺寸和質量正在逐步提升。未來，隨著生長設備和工藝的改進，以及對晶體生長機理的深入理解，制備8英寸甚至更大尺寸的高質量金剛石單晶襯底將成為可能。這將為高功率、高頻率電子器件的發展提供堅實的材料基礎，推動電子信息產業的持續創新與發展。