超硬材料网

       金刚石作为一种具有优异物理和化学特性的材料，被誉为“终极半导体”，在电子器件领域展现出巨大的应用潜力。近日，新疆碳基芯材科技有限公司（以下简称“碳基芯材”）先后与新疆疏附广州工业城（园区）管理委员会和新疆和田地区皮山县签约，计划在金刚石8英寸单晶衬底、金刚石量子传感器以及金刚石基GaN功率器件等领域取得突破。

       据了解，碳基芯材与新疆疏附县签约的年产150万克拉金刚石芯片衬底项目总投资约24亿元，分两期建设。一期投资约12亿元，计划于2025年3月开工建设，并于年底建成投产，投产后，年产值达7亿元以上。

       与新疆和田地区皮山县签约的年产150万克拉金刚石项目分三期建设：一期将建设20台工业级沉积设备，年产50万克拉电子级金刚石，纯度达99.999%（5N级），重点突破8英寸单晶衬底技术；二期将开发金刚石量子传感器，应用于北斗导航芯片抗辐射封装；三期将联合中科院打造金刚石基GaN功率器件中试线。据了解，该项目将采用全球顶尖的MPCVD-Ⅲ型智能沉积系统，单炉生长速率达30μm/h，较传统工艺提升5倍。

       金刚石因其优异的热导率、高击穿电场强度和宽禁带宽度，被视为下一代半导体材料的理想选择。然而，制备大尺寸、高质量的金刚石单晶衬底一直是技术难点。目前，全球范围内，金刚石单晶衬底的制备技术正逐步取得突破。

       早在2021年，日本Orbray采用异质外延法已开发出 2 英寸金刚石晶圆的量产技术。他们开发了一种创新的阶梯流动生长技术，用于生长符合工业应用需求的2英寸金刚石晶体。充分利用蓝宝石基底技术，精确控制基蓝宝石晶圆。倾斜的Ir/蓝宝石表面使得金刚石晶体沿水平方向生长，从而缓解了生长过程中的应力积累。现在，该公司正在向4英寸的衬底晶圆目标奋进，计划在 2029 年上市。在合作方面，去年6月公司宣布与Element Six公司达成战略合作，共同生产高品质晶圆级单晶合成金刚石。

       2023年10月，美国Diamond Foundry成功制造出全球首块直径100mm（约4英寸）、重110克拉的单晶金刚石晶圆。此外，其欧洲子公司Diamond Foundry Europe将投资8.5亿美元（约62亿人民币）在西班牙特鲁希略建设金刚石晶圆厂，计划于2025年开始生产单晶金刚石芯片，年产能可达400万至500万克拉。

       法国Diamfab公司也在欧洲市场展现出一定的竞争力。该公司专注于人造金刚石的外延和掺杂，在薄金刚石层生长和电子元件设计方面拥有四项专利。公司目标是到2026年将金刚石晶圆尺寸拓展至4英寸。相较于传统硅基半导体，金刚石器件所需晶圆面积更小，成本更低。

       日本大熊金刚石元件公司去年宣布在 Pre-A 轮融资中筹集了约 40 亿日元，将用于建设金刚石半导体工厂。

       在半导体领域，随着5G通信、人工智能、物联网等新兴技术的发展，对高频、高功率、高效率半导体器件的需求不断增加。金刚石晶圆作为潜在的第四代“终极半导体”材料，其在半导体芯片衬底、高频功率器件等方面的应用潜力将逐步释放。然而，作为一种新兴材料，金刚石晶圆市场格局仍远未形成垄断，在半导体领域的商业化仍未实现规模化，因此未来仍有很大的市场机会，国内企业有望在这一领域脱颖而出。

       西安交通大学王宏兴教授团队采用MPCVD技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产，填补了国内在大尺寸金刚石衬底产业化领域的空白。通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。

       中国科学院半导体研究所金鹏团队在大尺寸金刚石单晶异质外延生长方面也取得了显著进展。研究团队采用铱（Ir）复合衬底结合偏压增强成核技术，成功在异质衬底上生长出高质量的金刚石薄膜。

       宁波晶钻科技股份有限公司在同质外延生长技术方面也取得了显著突破。该公司于2023年底成功制备出3英寸CVD单晶金刚石，并已实现稳定批量化生产。近日公司再次刷新纪录，制备出尺寸为60毫米×60毫米（约3.35英寸）的单晶金刚石片，正向4英寸以上的单晶金刚石制备发起冲刺。

       化合机电金刚石晶圆产品热导率高达1000-2000W/m；晶圆级金刚石生长面表面粗糙度(Ra)<1nm；可用于键合工艺;可定制金刚石晶圆大小及厚度，在尺寸上包含2/3/4英寸等类型。

       鹏城半导体是国内首家可以生长大尺寸的微米晶纳米晶CVD金刚石晶圆片，在光电子、大功率器件和高频微波器件等应用方面有着广阔的前景。

       尽管在金刚石单晶衬底制备技术上取得了诸多进展，但要实现8英寸金刚石单晶衬底的制备仍面临巨大挑战。首先，金刚石的生长速率较低，制备大尺寸晶体需要长时间的生长过程。其次，随着晶体尺寸的增大，晶体内部的应力和缺陷也会增加，影响晶体的质量和性能。此外，金刚石的硬度接近于自然界中最高的材料，这给晶片的切割、抛光等后续加工带来了极大的困难。

       然而，随着研究的深入和技术的不断突破，金刚石单晶衬底的尺寸和质量正在逐步提升。未来，随着生长设备和工艺的改进，以及对晶体生长机理的深入理解，制备8英寸甚至更大尺寸的高质量金刚石单晶衬底将成为可能。这将为高功率、高频率电子器件的发展提供坚实的材料基础，推动电子信息产业的持续创新与发展。