金剛石作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其極高的熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、寬禁帶等優(yōu)異特性，在高功率、高頻電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近年來，隨著碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體的興起，業(yè)界對(duì)性能更卓越的金剛石半導(dǎo)體寄予厚望，稱其為“終極功率半導(dǎo)體”。在這場(chǎng)顛覆性技術(shù)革命中，全球巨頭正通過技術(shù)創(chuàng)新與戰(zhàn)略合作加速布局。

       元素六（Element Six）

       作為戴比爾斯集團(tuán)旗下企業(yè)，Element Six在金剛石領(lǐng)域深耕近80年，構(gòu)建了從基礎(chǔ)材料到尖端應(yīng)用的完整技術(shù)矩陣：

       產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)與合作： Element Six積極通過戰(zhàn)略合作和項(xiàng)目參與推動(dòng)金剛石半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展。

       2024年6月，該公司與日本Orbray公司達(dá)成戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，聯(lián)合生產(chǎn)“全球最高品質(zhì)的單晶金剛石晶圓”，以滿足6G無線通信、先進(jìn)功率及射頻電子、傳感、熱管理和量子器件等領(lǐng)域的需求。

       同年9月，Element Six參與了美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）主導(dǎo)的超寬帶隙半導(dǎo)體（UWBGS）項(xiàng)目，利用其單晶金剛石基板開發(fā)面向軍事和商業(yè)應(yīng)用的新一代半導(dǎo)體器件，旨在突破現(xiàn)有材料的性能極限。為支撐大規(guī)模應(yīng)用，Element Six還建成并調(diào)試了一座由可再生能源驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)CVD（化學(xué)氣相沉積）生產(chǎn)設(shè)施，可批量生產(chǎn)高質(zhì)量單晶金剛石襯底。

       在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，Element Six于2025年1月推出了一種銅-金剛石復(fù)合材料，結(jié)合了銅的高導(dǎo)熱和金剛石的高熱導(dǎo)特性，用于先進(jìn)半導(dǎo)體器件的散熱，其導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)介于銅和金剛石之間，為高功率電子提供了新的散熱解決方案。

       此外，Element Six與Master Drilling公司合作，將其聚晶金剛石（PCD）切割技術(shù)應(yīng)用于礦山和隧道掘進(jìn)，提高了施工效率并降低環(huán)境影響。

       Diamond Foundry

       Diamond Foundry成立于2012年，由麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)等高校的工程師聯(lián)合創(chuàng)立，總部位于美國加州舊金山，正將其CVD技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體領(lǐng)域的顛覆力量：

       技術(shù)突破： 2023年10月，Diamond Foundry宣布成功培育出世界上首片直徑100毫米（約4英寸）、重110克拉的單晶金剛石晶片。該晶片具有極高的熱導(dǎo)率和電絕緣性能，被視為金剛石半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的重大里程碑。公司宣稱下一步目標(biāo)是降低金剛石晶圓的缺陷密度，以實(shí)現(xiàn)比硅材料高約17200倍、比碳化硅高約60倍的品質(zhì)因數(shù)。

       同日，Diamond Foundry還發(fā)布了基于該單晶金剛石晶圓的電動(dòng)汽車逆變器“DF Perseus”，首批原型測(cè)試結(jié)果顯示其體積比特斯拉Model 3的逆變器縮小了6倍，同時(shí)性能和效率均有提升。這一成果展示了金剛石材料在汽車電力電子領(lǐng)域的巨大潛力。

       產(chǎn)能擴(kuò)張與投資： 為加速金剛石晶圓的產(chǎn)業(yè)化，Diamond Foundry積極擴(kuò)大產(chǎn)能并尋求政府支持。2024年12月，該公司獲得歐盟提供的8100萬歐元補(bǔ)貼，用于在西班牙特魯希略市建設(shè)一座大型金剛石晶圓生產(chǎn)工廠。

       據(jù)悉，該工廠總投資約8.5億美元（約合62億元人民幣），計(jì)劃于2025年投產(chǎn)，初期年產(chǎn)能可達(dá)400萬至500萬克拉單晶金剛石。工廠將采用先進(jìn)的等離子體反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)人造金剛石晶片，并有望成為全球首批完全由太陽能供電的綠色工業(yè)項(xiàng)目之一。

       目前，Diamond Foundry已能在反應(yīng)爐中培育出尺寸約4英寸、厚度小于3毫米的金剛石晶圓，可與硅芯片結(jié)合用于快速傳導(dǎo)和釋放芯片產(chǎn)生的熱量。公司還開發(fā)了將金剛石以原子級(jí)直接鍵合到半導(dǎo)體芯片上的技術(shù)，以消除散熱瓶頸，提升芯片性能。Diamond Foundry預(yù)計(jì)在2033年前后將金剛石材料大規(guī)模引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。

       Orbray株式會(huì)社

       Orbray株式會(huì)社成立于1939年，總部位于東京足立區(qū)，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，Orbray在合成金剛石和藍(lán)寶石晶體生長技術(shù)方面取得領(lǐng)先成果，目前正積極布局“金剛石芯”相關(guān)應(yīng)用，商業(yè)化進(jìn)程日益臨近。

       研發(fā)成果： 2021年9月，Orbray與日本佐賀大學(xué)合作，成功開發(fā)出直徑2英寸的超高純度金剛石晶圓。

       2022年4月，雙方進(jìn)一步采用創(chuàng)新的異質(zhì)外延工藝在藍(lán)寶石襯底上生長出2英寸直徑的單晶金剛石晶圓，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，隨后又實(shí)現(xiàn)了直徑55毫米單晶沉積的里程碑。

       2022年5月，基于上述2英寸晶圓，他們研制出輸出功率高達(dá)875 MW/cm2、耐壓達(dá)2568 V的金剛石半導(dǎo)體器件，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)全球最高紀(jì)錄。這一系列突破使Orbray成為全球少數(shù)掌握大尺寸單晶金剛石生長技術(shù)的企業(yè)之一。

       產(chǎn)業(yè)合作與規(guī)劃： 為加速金剛石半導(dǎo)體的實(shí)用化，Orbray積極與產(chǎn)業(yè)界合作。2023年5月，該公司與豐田汽車旗下的車載半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)Mirise Technologies簽署協(xié)議，共同研發(fā)垂直結(jié)構(gòu)的金剛石功率半導(dǎo)體器件，以滿足電動(dòng)汽車對(duì)高性能功率電子的需求。根據(jù)協(xié)議，Orbray負(fù)責(zé)開發(fā)具有P型導(dǎo)電性的金剛石晶圓基板，Mirise則開發(fā)器件的耐壓結(jié)構(gòu)，雙方預(yù)計(jì)金剛石功率半導(dǎo)體有望在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。為此，Orbray計(jì)劃投資100億日元（約合5億元人民幣）新建一座工廠，用于生產(chǎn)車用功率半導(dǎo)體所需的金剛石晶圓基板，并同時(shí)量產(chǎn)電動(dòng)車電子控制單元（ECU）等零部件。

       2024年6月，Orbray與Element Six達(dá)成戰(zhàn)略合作，聯(lián)合生產(chǎn)“全球品質(zhì)最高的單晶金剛石晶圓”，以服務(wù)6G通信、先進(jìn)功率/射頻電子、傳感、熱管理和量子技術(shù)等前沿領(lǐng)域。

       同年9月，Orbray宣布計(jì)劃籌資最多100億日元，推動(dòng)公司于2029年上市，并加強(qiáng)其秋田工廠的產(chǎn)能建設(shè)，目標(biāo)是在金剛石和藍(lán)寶石基板以及醫(yī)療業(yè)務(wù)的帶動(dòng)下，到2029年實(shí)現(xiàn)400億日元的年?duì)I收。

       2025年3月，Orbray宣布開發(fā)出世界上最大尺寸的自立單晶金剛石襯底（晶面為(111)，尺寸20 mm×20 mm），并計(jì)劃在2026年前將該技術(shù)商業(yè)化。這一成果進(jìn)一步鞏固了Orbray在大尺寸金剛石單晶生長領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

       EDP株式會(huì)社

       EDP株式會(huì)社總部位于日本大阪府豐中市，是一家專注于合成單晶金剛石及其相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、制造和銷售的企業(yè)。EDP在高品質(zhì)單晶金剛石生長方面具備深厚技術(shù)積累，近年來在大尺寸、低電阻金剛石襯底開發(fā)上取得重要突破。

       研發(fā)進(jìn)展： 2023年，EDP成功開發(fā)出尺寸為10 mm×10 mm×0.2 mm的低電阻金剛石襯底（型號(hào)RB10102PP）以及更小尺寸的低電阻晶圓（RB13R2PP）。這些襯底通過在CVD生長過程中摻入高濃度硼元素，實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電性，可用于高功率電子器件的研發(fā)。

       2025年2月13日，EDP宣布研制出全球尺寸最大的單晶金剛石襯底，尺寸達(dá)到32 mm×31.5 mm。這一成果突破了此前大尺寸單晶生長的技術(shù)瓶頸，標(biāo)志著金剛石襯底向更大尺寸邁進(jìn)。

       公司計(jì)劃在2025年4月底前推出直徑1英寸（25 mm）的金剛石晶圓，并在2025年底前通過拼接4塊單晶的方式研制出直徑2英寸（50 mm）的“馬賽克”晶圓。

       EDP還制定了更長遠(yuǎn)的目標(biāo)：在未來2～3年內(nèi)將單晶尺寸進(jìn)一步提升至50 mm×50 mm，最終實(shí)現(xiàn)2英寸完整單晶襯底；若能突破50 mm見方單晶的生長技術(shù)，則可通過拼接4塊這樣的單晶來制造4英寸（100 mm）的馬賽克晶圓。這一“逐步擴(kuò)大、拼接成圓”的策略有望幫助EDP在較短時(shí)間內(nèi)滿足市場(chǎng)對(duì)大尺寸金剛石晶圓的需求。

       日本住友電氣工業(yè)

       住友電氣工業(yè)株式會(huì)社（Sumitomo Electric Industries）創(chuàng)立于1897年，總部位于日本大阪，在超硬材料領(lǐng)域，住友電工擁有悠久歷史和雄厚實(shí)力，尤其在合成金剛石和立方氮化硼材料方面成果豐碩。

       技術(shù)突破： 2025年3月，住友電工與大阪公立大學(xué)合作，在直徑2英寸的多晶金剛石基板上成功制作出氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）。由于金剛石基板的熱導(dǎo)率極高，該GaN器件的熱阻大幅降低，僅為傳統(tǒng)硅基板的1/4、碳化硅基板的1/2。

       這一重要突破顯著改善了高頻無線通信GaN晶體管的散熱性能，有望實(shí)現(xiàn)更高頻率和更大輸出功率的射頻器件。該成果展示了金剛石基板在提升GaN基射頻器件性能方面的巨大價(jià)值，也為5G/6G通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的功率器件發(fā)展提供了新思路。

       業(yè)務(wù)布局： 作為綜合性工業(yè)集團(tuán)，住友電工在金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局主要集中在材料和工具方面。除了上述GaN-on-diamond器件合作研發(fā)外，公司持續(xù)提供高品質(zhì)的金剛石切割工具、研磨材料和散熱基板等產(chǎn)品，支持半導(dǎo)體制造和封裝過程中的精密加工與熱管理需求。在金剛石單晶生長和應(yīng)用方面，住友電工也保持著研發(fā)投入，以期在未來更廣泛地將金剛石材料應(yīng)用于功率電子和光電子器件中。

       法國DIAMFAB

       DIAMFAB成立于2019年，是由法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）和內(nèi)爾研究所（Institut Néel）孵化的一家高科技創(chuàng)業(yè)公司，總部位于法國格勒諾布爾。公司致力于將金剛石材料應(yīng)用于功率電子領(lǐng)域，專注開發(fā)高質(zhì)量的合成金剛石外延層及摻雜技術(shù)。

       融資與合作： 2024年3月，DIAMFAB宣布完成了首輪870萬歐元的融資，用于建立試驗(yàn)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的預(yù)工業(yè)化，并加速產(chǎn)品開發(fā)以滿足市場(chǎng)對(duì)金剛石半導(dǎo)體日益增長的需求。

       同年12月，DIAMFAB與法國另一家CVD金剛石企業(yè)HiQuTe Diamond建立了戰(zhàn)略技術(shù)合作伙伴關(guān)系。根據(jù)協(xié)議，DIAMFAB將負(fù)責(zé)利用先進(jìn)的晶體生長工藝進(jìn)行金剛石摻雜層的外延生長，并參與高性能金剛石器件的制造。這一合作整合了雙方在金剛石材料制備和器件工藝方面的優(yōu)勢(shì)，有助于加快金剛石半導(dǎo)體從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

       技術(shù)進(jìn)展： 作為初創(chuàng)公司，DIAMFAB目前的重點(diǎn)在于技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品原型開發(fā)。據(jù)報(bào)道，公司已掌握了在大尺寸襯底上生長高質(zhì)量金剛石外延膜的關(guān)鍵技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了金剛石的n型和p型摻雜，為制備金剛石二極管、晶體管等器件奠定了基礎(chǔ)。DIAMFAB的金剛石材料有望用于制造高效率的功率轉(zhuǎn)換器件（如逆變器、變流器），幫助電動(dòng)汽車提高能源利用效率、延長續(xù)航里程，以及用于綠色氫氣生產(chǎn)中的高效電解電源等場(chǎng)景。隨著融資的到位和合作的推進(jìn)，DIAMFAB計(jì)劃在未來幾年內(nèi)推出金剛石功率器件樣品，逐步打開市場(chǎng)。

       Coherent

       Coherent（高意）作為材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，在材料、網(wǎng)絡(luò)、激光等業(yè)務(wù)板塊深耕多年，總部位于賓夕法尼亞州薩克森堡，自1971年創(chuàng)立以來，業(yè)務(wù)已拓展至全球20多個(gè)國家。

       2025年6月12日，公司重磅推出具有自主專利的金剛石-碳化硅陶瓷復(fù)合材料，這一成果堪稱行業(yè)里程碑。該材料各向同性熱導(dǎo)率突破 800W/mK，性能達(dá)到當(dāng)前行業(yè)基準(zhǔn)材料銅的兩倍以上，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)與硅極為匹配，為直接與半導(dǎo)體器件集成提供了理想選擇，有效解決了傳統(tǒng)主流散熱材料因各向異性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的局部熱積聚問題。

       從產(chǎn)業(yè)投資布局來看，2024年4月，Coherent 宣布基于 CHIPS 法案獲得1500萬美元資金，用于加速下一代寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體（碳化硅和單晶金剛石）的商業(yè)化進(jìn)程。

       結(jié)語

       金剛石半導(dǎo)體作為新一代半導(dǎo)體材料的代表，正在全球范圍內(nèi)掀起一場(chǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的革新。從美日歐的產(chǎn)業(yè)巨頭到新興創(chuàng)業(yè)公司，都在這一領(lǐng)域投入資源、搶占先機(jī)。

       當(dāng)前，全球金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局初現(xiàn)：既有Element Six、住友電工這樣的傳統(tǒng)超硬材料巨頭引領(lǐng)方向，也有Diamond Foundry、Orbray、EDP、DIAMFAB、Coherent等新銳企業(yè)加速追趕。在各方努力下，金剛石材料的制備技術(shù)不斷取得突破，應(yīng)用探索也日益深入。盡管面臨成本和工藝等挑戰(zhàn)，但在市場(chǎng)需求和政策支持的推動(dòng)下，金剛石半導(dǎo)體有望在未來十年內(nèi)迎來產(chǎn)業(yè)化的拐點(diǎn)。

       可以預(yù)見，隨著技術(shù)成熟和規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn)，金剛石半導(dǎo)體將在高功率、高頻電子領(lǐng)域大展身手，成為推動(dòng)能源高效利用和信息技術(shù)升級(jí)的重要引擎。展望未來，金剛石這一“終極半導(dǎo)體”的產(chǎn)業(yè)化之路雖非坦途，但前景值得期待。全球產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界需繼續(xù)攜手合作，攻克難關(guān)，共同迎接金剛石半導(dǎo)體時(shí)代的到來。