金剛石作為一種具有優(yōu)異物理和化學(xué)特性的材料，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”，在電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(yè)城（園區(qū)）管理委員會(huì)和新疆和田地區(qū)皮山縣簽約，計(jì)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(lǐng)域取得突破。

       據(jù)了解，碳基芯材與新疆疏附縣簽約的年產(chǎn)150萬克拉金剛石芯片襯底項(xiàng)目總投資約24億元，分兩期建設(shè)。一期投資約12億元，計(jì)劃于2025年3月開工建設(shè)，并于年底建成投產(chǎn)，投產(chǎn)后，年產(chǎn)值達(dá)7億元以上。

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

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

       早在2021年，日本Orbray采用異質(zhì)外延法已開發(fā)出 2 英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)。他們開發(fā)了一種創(chuàng)新的階梯流動(dòng)生長技術(shù)，用于生長符合工業(yè)應(yīng)用需求的2英寸金剛石晶體。充分利用藍(lán)寶石基底技術(shù)，精確控制基藍(lán)寶石晶圓。傾斜的Ir/藍(lán)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(yīng)力積累?，F(xiàn)在，該公司正在向4英寸的襯底晶圓目標(biāo)奮進(jìn)，計(jì)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(dá)成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn)高品質(zhì)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(shè)金剛石晶圓廠，計(jì)劃于2025年開始生產(chǎn)單晶金剛石芯片，年產(chǎn)能可達(dá)400萬至500萬克拉。

       法國Diamfab公司也在歐洲市場展現(xiàn)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(shè)計(jì)方面擁有四項(xiàng)專利。公司目標(biāo)是到2026年將金剛石晶圓尺寸拓展至4英寸。相較于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)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(shè)金剛石半導(dǎo)體工廠。

       在半導(dǎo)體領(lǐng)域，隨著5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，對高頻、高功率、高效率半導(dǎo)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(dǎo)體”材料，其在半導(dǎo)體芯片襯底、高頻功率器件等方面的應(yīng)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(yuǎn)未形成壟斷，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的商業(yè)化仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虼宋磥砣杂泻艽蟮氖袌鰴C(jī)會(huì)，國內(nèi)企業(yè)有望在這一領(lǐng)域脫穎而出。

       西安交通大學(xué)王宏興教授團(tuán)隊(duì)采用MPCVD技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的量產(chǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)在大尺寸金剛石襯底產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的空白。通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。

       中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所金鵬團(tuán)隊(duì)在大尺寸金剛石單晶異質(zhì)外延生長方面也取得了顯著進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)采用銥（Ir）復(fù)合襯底結(jié)合偏壓增強(qiáng)成核技術(shù)，成功在異質(zhì)襯底上生長出高質(zhì)量的金剛石薄膜。

       寧波晶鉆科技股份有限公司在同質(zhì)外延生長技術(shù)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量化生產(chǎn)。近日公司再次刷新紀(jì)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(fā)起沖刺。

       化合機(jī)電金剛石晶圓產(chǎn)品熱導(dǎo)率高達(dá)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(dǎo)體是國內(nèi)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(yīng)用方面有著廣闊的前景。

       盡管在金剛石單晶襯底制備技術(shù)上取得了諸多進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)8英寸金剛石單晶襯底的制備仍面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，金剛石的生長速率較低，制備大尺寸晶體需要長時(shí)間的生長過程。其次，隨著晶體尺寸的增大，晶體內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷也會(huì)增加，影響晶體的質(zhì)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(xù)加工帶來了極大的困難。

       然而，隨著研究的深入和技術(shù)的不斷突破，金剛石單晶襯底的尺寸和質(zhì)量正在逐步提升。未來，隨著生長設(shè)備和工藝的改進(jìn)，以及對晶體生長機(jī)理的深入理解，制備8英寸甚至更大尺寸的高質(zhì)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(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。