文 | 半導體產業縱橫
金剛石半導體，是新一輪焦點之一。
2025年10月9日，商務部與海關總署根據《中華人民共和國出口管制法》、《中華人民共和國對外貿易法》、《中華人民共和國海關法》、《中華人民共和國兩用物項出口管制條例》，為維護國家安全和利益、履行防擴散等國際義務，聯合發布四項公告，對部分物項實施出口管制，金剛石就在其中。
事實上，金剛石早就是未來半導體市場的關注焦點。2022年，美國商務部工業和安全局（bis）在聯邦公報上發布了臨時最終規定，對 4 項 「新興和基礎技術」 實施出口管制，其中兩項正是氧化鎵、金剛石這類超寬禁帶半導體材料。
金剛石，未來半導體
目前，半導體材料已然發展到第四代。
第一代半導體材料主要是硅、鍺；第二代半導體材料主要是砷化鎵（gaas）、磷化銦（inp）；第三代半導體材料主要是碳化硅（sic)、氮化鎵（gan)。
第四代半導體材料是指具有極端禁帶寬度的半導體材料，包括超寬禁帶（uwbg）和超窄禁帶（unbg）兩類。其中超寬禁帶半導體材料的禁帶寬度超過4 ev，能夠承受高電壓、高溫、高輻射等惡劣環境，金剛石便屬於其中一種，此外還有氧化鎵、氮化鋁等。超窄禁帶半導體材料的禁帶寬度低於 0.5 ev，能夠實現低功耗、高靈敏度、高速率等優異性能，代表性的材料有銻化鎵、砷化銦等。
金剛石禁帶寬度約為5.5ev，是第四代材料性能最高的材料，被視為「終極半導體材料」，具備優異導熱性能，是硅的13倍，適用於高頻高功率高溫電子器件。
當硅基半導體逼近「摩爾定律」 物理極限，第三代半導體材料成為產業突圍的關鍵方向。而在碳化硅、氮化鎵之後，金剛石半導體憑藉 「超寬禁帶、超高熱導、超強耐壓」 的三重特性，正在高功率、高頻、極端環境等領域打開新的想像空間。
在高功率場景中，「散熱」 與 「耐壓」 是兩大核心痛點 —— 傳統硅器件在高電壓、大電流下易發熱失控，而碳化硅雖有提升，仍無法滿足下一代高功率設備的需求。金剛石半導體的超高熱導率與優異擊穿場強，恰好成為解決這一痛點的關鍵。
隨著新能源汽車向 800v 高壓平台升級，傳統硅基 igbt（絕緣柵雙極型晶體管）的耐壓與散熱短板愈發明顯，金剛石可承受更高的電壓，直接提高整車性能與安全性。
在高頻通信領域，「頻率上限」 與 「信號損耗」 是制約性能的關鍵，金剛石半導體的高載流子遷移率正使其成為高頻信號傳輸的「理想載體」。比如在雷達系統、衛星通信等應用中發揮作用。
金剛石基氮化鎵異質結器件通過界面熱阻優化，可實現結溫降低50%、功率密度提升 3 倍的性能突破，這類器件已在低軌衛星通信模塊與 5g 毫米波基站中驗證其可靠性。
在量子計算方面，金剛石中的色心，尤其是nv中心，因其獨特的量子特性，可以作為量子比特（qubits），在量子計算中用於執行運算。其次金剛石的色心具有極高的量子操控精度，這對於構建高性能量子計算機至關重要。金剛石中的量子比特還可以在室溫下操作，這與許多其他量子計算平台需要極低溫環境形成對比，有助於降低量子計算系統的複雜性和成本。
日本，走在前列
日本在金剛石半導體技術方面的進步令人矚目，預計到2025-2030年間將實現多項實際應用。
日本佐賀大學一直處於這項創新的前沿，於2023年開發出世界上第一個由金剛石半導體製成的功率器件。這一突破是與日本宇宙航空研究開發機構(jaxa)合作實現的，重點是用於太空通信的高頻元件。
此外，總部位於東京的orbray已開發出2英寸金剛石晶圓的量產技術，並正在朝著實現4英寸基板的目標邁進。一旦實現4英寸金剛石基板的商業化，將解決生產中的一個關鍵瓶頸，使廣泛工業應用的可行性更近一步，並使日本的半導體行業能夠在全球範圍內樹立新的標準。
orbray還與英美資源集團（anglo american plc）合作，推進其人造金剛石基板業務，重點開發用於功率半導體和通信的大直徑金剛石基板。該公司計劃擴大其在日本秋田縣的生產設施，預計將於2029年首次公開募股。
power diamond systems是一家從早稻田大學分拆出來的日本初創公司，於 2023年成功開發了一項技術，以提高金剛石功率器件的載流能力。該公司計劃在未來幾年推出樣品，並已與九州工業大學建立了合作夥伴關係。
金剛石半導體加速商業化的潛力引起了人們對相關業務的更多關注。例如，jtec公司專門為研究機構生產精密設備，並開發了一種用於拋光高硬度材料表面的等離子技術。
edp公司是日本唯一一家從事寶石用人造金剛石種子生產和銷售的公司，擁有世界上最大的單晶生產機制。該公司還從事金剛石半導體基片和工具材料的生產。
隨著金剛石半導體技術的發展，合成金剛石的質量和穩定供應變得越來越重要。住友電工在20世紀80年代生產了世界上最大的人造金剛石單晶體，命名為 「sumicrystal」，使用的是高質量的工業應用材料。
美國近幾年來陸續誕生了一些金剛石半導體初創公司，這些公司大多利用多年的學術研發專業知識來推動半導體金剛石器件的商業化。比如diamond foundry、diamond quanta、advent diamond等。
國內金剛石半導體技術，加速產業化
2024年1月，根據西安交大官網信息，西安交大王宏興教授研究團隊採用微波等離子體化學氣相沉積（mpcvd）技術，歷經10年潛心研發，獨立自主開發了2英寸異質外延單晶金剛石自支撐襯底，並成功實現批量化，達到世界領先水平。
2024年12月，北京大學東莞光電研究院發布最新研究成果，該院與南方科技大學、香港大學組成的聯合研究團隊，在金剛石薄膜材料製備和應用方面取得重要進展，成功開發出能夠批量生產大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的製備方法。
今年2月，吉林大學劉冰冰，姚明光教授團隊聯合中山大學朱升財教授，在國際頂級期刊《nature materials》上發表論文，宣布首次成功合成高質量六方金剛石塊材，其硬度與熱穩定性遠超傳統立方金剛石。該團隊通過模擬隕石撞擊地核的極端環境（50gpa超高壓、1400℃），發現石墨可轉變為六方金剛石，其硬度達155gpa，比立方金剛石高40%，熱穩定性突破1100℃。
同月北方華創在互動平台回答投資者問題時表示正密切關注第四代半導體領域的研究進展，可為研究機構提供晶體生長、刻蝕、薄膜沉積等研究型設備。
華為在金剛石晶元領域也展現出深入布局。2024年，華為與哈爾濱工業大學聯合申請了「一種基於硅和金剛石的三維集成晶元的混合鍵合方法」的專利。該技術通過cu/sio2混合鍵合技術將硅基與金剛石襯底材料進行三維集成，為三維集成的硅基器件提供散熱通道，提高器件可靠性。
華為還與廈門大學合作，在先進封裝玻璃轉接板集成晶元-金剛石散熱技術上取得突破性進展。在晶元熱點功率密度為約2w/mm²時，集成金剛石散熱襯底能夠使晶元最高結溫降低高達24.1℃，晶元封裝熱阻降低28.5%。
除了科研院所的研究進展之外，中國也有一些企業正在加速金剛石半導體的產業化。
上市公司方面，人造金剛石主要企業有力量鑽石、黃河旋風、惠豐鑽石、國機精工、中兵紅箭、四方達、沃爾德、光莆股份、恆盛能源等。
中兵紅箭表示，公司功能金剛石產品可用於半導體、光學、散熱、量子等領域。
黃河旋風表示，公司在金剛石半導體相關領域技術還處於研發階段。
沃爾德表示，公司重點聚焦金剛石功能性材料在工具級、熱沉級、光學級、電子級等方面的研究。
力量鑽石全資子公司與中國台灣捷斯奧企業有限公司簽訂半導體高功率金剛石半導體項目，致力於研究半導體散熱功能性金剛石材料。
光莆股份表示，公司投資的化合積電公司的金剛石熱沉片可用於晶元散熱。
恆盛能源表示，子公司樺茂科技將對金剛石在半導體晶圓應用領域保持積極的研發。
在2025年上半年多家新材料與裝備企業的半年報中，金剛石已逐漸被更多企業納入研發和產業化方向。天岳先進、斯瑞新材和致尚科技三家公司，分別在碳化硅襯底、銅基合金及裝備製造等主營業務上保持發展，同時在金剛石相關領域展開探索。結合ai算力、光通信、新能源及半導體等未來科技趨勢，金剛石的潛力正加速釋放。
天岳先進正通過mpcvd方法開展單晶金剛石生長研究，嘗試突破大尺寸、高質量襯底製備的技術瓶頸，並配合激光切割及分步加工工藝提升加工能力。斯瑞新材也明確提出布局銅金剛石材料研發。致尚科技推出的半導體拋光設備已可應用於碳化硅、氮化硅、石英玻璃及金剛石的研磨拋光。
金剛石產業化，四大挑戰
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。
材料生長是金剛石半導體產業化的首要難題。當前主流的 12 英寸硅晶圓已實現規模化應用，可大幅降低晶元單位成本，而金剛石單晶襯底尺寸遠小於 8 英寸，直接限制晶元集成度與產量。小尺寸襯底不僅無法滿足大規模集成電路的高密度布局需求，還會推高設備折舊、原材料消耗等分攤成本，削弱價格競爭力。
製備技術同樣存在瓶頸。化學氣相沉積（cvd）是主流方法，但生長速率僅為每小時幾微米到幾十微米，難以匹配半導體產業的高效生產需求，且需精確控制多參數，設備與運行成本高昂。高溫高壓法（hthp）雖能制金剛石，卻易引入雜質與缺陷，無法直接用於半導體，而 cvd 法製備的金剛石在晶體質量和均勻性上仍需提升。
摻雜技術上，p 型與 n 型均陷困境。p 型摻雜主要依賴硼原子，但硼的電離能高達 0.37ev，室溫下難以完全電離，載流子濃度極低。若進行重摻雜以提高濃度，又會導致晶格應力增大、表面缺陷增多，加劇電子 - 空穴複合，使器件開啟電壓升高、導通電阻增大。
n 型摻雜理論上可用磷原子，但其原子半徑遠大於碳原子，摻雜時會造成晶格嚴重畸變。這種畸變會大幅增載入流子散射幾率，導致遷移率急劇下降，目前仍難以獲得高濃度、高質量的 n 型摻雜金剛石，限制了相關器件應用。
不過，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。
在器件製造中，傳統半導體工藝與金剛石兼容性差。光刻環節中，金剛石表面特性特殊，普通光刻膠難以均勻附著，易導致圖形失真、線條不均；蝕刻環節中，金剛石化學穩定性極強，多數傳統蝕刻劑效果微弱，難以精準控制蝕刻深度與形狀。
金剛石超硬特性也給加工帶來挑戰。硅與碳化硅拋光片需達到原子級平整（粗糙度 rms≤0.1nm），而金剛石硬度極高，普通磨削工具磨損快，即便使用金剛石砂輪，仍存在效率低、易產生熱損傷等問題，難以滿足 「襯底級」 表面質量要求。
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