為了實現去碳化目標，在過去幾年時間中，業界正在不斷追求更高效、更強大的半導體，氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）等半導體材料的出現與發展，讓產業突破了矽的限制，開發出更有效率、更永續的技術，如今這些材料在再生能源系統、電動車和其他減少碳排放的技術中發揮關鍵作用。

而在氮化鎵和碳化矽之後，鑽石也就是鑽石，作為一種新半導體材料闖入了大家的視線當中，並引發了研究人員和行業專家的關注。

鑽石以其無與倫比的硬度和亮度而聞名，半個多世紀以來，珠寶首飾是它最廣泛也是最有價值的用途，如今它又因自己的特性，在半導體材料中開闢了一番廣闊的前景。

鑽石晶片，有何優勢

與現有的半導體材料相比，鑽石主要具有三大優勢：熱管理、成本/效率優化和二氧化碳減排。

在所有傳統的功率轉換器中，冷卻系統都是一個必要的累贅。與大多數半導體材料不同，鑽石的電阻率隨溫度升高而降低。因此，用這種材料製成的設備在攝氏150 度（功率設備的典型工作溫度）下比在室溫下性能更好。雖然必須花費大量精力來冷卻暴露在高溫下的矽或碳化矽元件，但只需讓鑽石在運行過程中找到一個穩定的狀態。

鑽石還是一種好的散熱器。由於散熱損耗少、散熱能力強且能在高溫下工作，用鑽石主動元件製成的轉換器可以比基於矽的解決方案輕5 倍、小5 倍，比基於碳化矽的解決方案輕3 倍、小3 倍。

在設計設備和轉換器時，必須在系統的能源效率與成本、尺寸和重量之間做出權衡。鑽石也不例外，但鑽石能在關鍵參數上為更節能的電動車帶來價值。

如果重點是降低設備成本，那麼可以設計出比碳化矽晶片成本低30% 的鑽石晶片，因為在電氣性能和效率相同的情況下，鑽石晶片比同等的碳化矽晶片少消耗50 倍的鑽石面積，而且熱管理更好。

若注重效率，鑽石與碳化矽相比，可將能量損耗降低三倍，晶片體積最多可縮小4 倍，直接節省能耗。

如果專注於系統體積和重量，透過提高開關頻率，鑽石元件可將被動元件的體積比基於碳化矽的轉換器減少四倍。除了體積上的減少之外，還可以透過縮小散熱器來實現。

值得一提的是，鑽石也具備極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不會造成電擊穿。作為對比，矽材料的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鑽石則為10 MV/cm，即使是非常薄的鑽石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。

從具體用途來看，鑽石基板具有優異的導熱性，可為高功率5G 元件（基地台、放大器）實現高效散熱，確保運作穩定性並防止過熱。 5G 基礎設施的不斷推出和對更快數據速度的無限需求，推動了各種5G 相關設備對鑽石基板的採用。 5G 資料流量的指數級增長意味著需要設備能夠管理在極高頻率下產生的大功率密度。鑽石基板為這些問題提供了答案。

此外，與傳統的矽基解決方案相比，鑽石基板與氮化鎵或碳化矽配對，可製造出工作電壓更高、頻率更高、能源效率更高的功率裝置，電動車、用於再生能源的電源逆變器、工業馬達驅動器、高功率雷射和先進電源都是鑽石基板應用日益廣泛的領域。

鑽石基板作為出色的散熱器，可以延長這些設備的使用壽命和可靠性。而隨著向更清潔能源的過渡和汽車電氣化進程的加快，鑽石基板也將發揮至關重要的作用。盡量減少功率轉換過程中的能量損耗可以提高整體效率，這是電動車和永續電網的重要方面。鑽石基底能夠設計出更緊湊、重量更輕的電力電子裝置，這對電動車等空間受限的應用至關重要。

國外的Virtuemarket的數據指出，2023年全球鑽石半導體基材市場價值為1.51億美元，預計到2030年底市場規模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預測期內，該市場預計將以複合年增長率成長12.3%。其認為，在中國、日本和韓國等國家電子和半導體行業不斷增長的需求的推動下，亞太地區預計將主導鑽石半導體基板市場，到2023 年將佔全球收入份額的40% 以上。

鑽石晶片，面臨挑戰

當然，性能如此優秀的半導體材料，在其他方面不免受一些限制。

首先就是成本。與矽相比，碳化矽的成本是其30 到40 倍，而氮化鎵的成本是其650 到1300 倍。用於半導體研究的合成鑽石材料的價格約為矽的10000 倍。

另一個問題是鑽石芯片尺寸太小，市場上最大的鑽石芯片尺寸不到10 平方毫米。使用離子注入法摻雜這種材料很困難，而且這種材料的電荷載子活化效率在室溫下會降低。

為了解決生產應用的問題，不少公司都在努力攻關鑽石量產的相關技術。 2023年初，日本佐賀大學與日本Orbray共同合作開發了用鑽石製成的功率半導體，他們在藍寶石基板上製成2吋的單晶圓，2023年10月，美國的Diamond Foundry於成功製造出了世界上第一顆單晶鑽石晶圓，直徑約4吋。

除了上述兩家公司外，位於法國格勒諾布爾的半導體鑽石新創公司Diamfab也在為了鑽石晶片的技術而不斷努力。

今年3月，該公司宣布獲得870萬歐元的首輪融資。這筆資金來自Asterion Ventures、法國政府代表法國政府管理的法國科技種子基金（法國2030的一部分）、Kreaxi與Avenir Industrie Auvergne-Rhône-Alpes地區基金、Better Angle、Hello Tomorrow和格勒諾布爾阿爾卑斯大區。

Diamfab 是法國國家科學研究中心（CNRS）實驗室奈爾研究所（Institut Néel）的衍生產品，也是30 年來合成鑽石生長研發的成果。 Diamfab 計畫最初在格勒諾布爾阿爾卑斯SATT Linksium 進行孵化，該公司於2019 年3 月成立，由兩位奈米電子學博士和半導體鑽石領域公認的研究人員Gauthier Chicot 和Khaled Driche 創辦。

Diamfab表示，為了滿足汽車、再生能源和量子產業的半導體和功率元件市場需求，該公司在合成鑽石的外延和摻雜領域開發了突破性技術。其在合成鑽石的外延和摻雜領域開發了突破性技術，並擁有四項專利，其專長在於薄鑽石層的生長和摻雜，以及鑽石電子元件的設計。

第一輪融資將使Diamfab 能夠建立一條試驗生產線，對其技術進行工業化前處理，加速其發展，從而滿足對鑽石半導體日益增長的需求。

Diamfab先前已經申請了全鑽石電容器的專利，並正在與該領域的領先企業合作， Diamfab 執行長Gauthier Chicot 表示：「在其他參數中，我們已經實現了我們的目標：超過1000A/cm2 的高電流密度和大於7.7MV/cm 的擊穿電場。年實現4 英寸晶圓，作為大規模生產的關鍵推動因素。

「在過去的兩年中，我們在與研發團隊合作加工高附加價值鑽石晶片方面取得了重大進展。現在，我們基於雙重業務模式的應用導向方法將使我們能夠與更廣泛的工業合作夥伴合作，開發和銷售高附加價值鑽石晶片和我們的專利鑽石設備製造工藝，同時還能以輕型工廠模式直接向最終用戶銷售產品，」Chicot 說。

「在像我們這樣的尖端產業的發展過程中，每個階段都至關重要。試點項目將促進我們與合作夥伴的許多討論，並加強我們之間的關係。與致力於該行業和氣候的投資者合作，最重要的是他們了解該行業的限制和聯繫，這一點至關重要，」 Chicot說。

「我們開發的技術可以大幅減少半導體的歷史碳足跡，並透過轉移歐洲的關鍵產業來實現這一目標，這也是我們與Asterion 合作的投資重點之一，」負責交易的Asterion Ventures 合夥人Charles -Henry Choel 解釋說，“工業深度技術公司需要冷靜、長期的支持，而這正是我們所能提供的。”

無獨有偶，美國的Advent Diamond也是這樣一家致力於將鑽石半導體材料量產的新創公司，今年4月，該公司接受了EE Times 採訪，揭露了自己在這一方面的進展。

據了解，Advent Diamond 公司的核心創新之一是在首選基底上生長單晶摻磷鑽石的能力，它是美國唯一擁有這種能力的公司。摻磷技術的意義尤其重大，因為它能在鑽石中製造出n 型半導體，而這正是電子設備開發的關鍵要素。此外，Advent Diamond 公司在大面積生長摻硼鑽石層方面也取得了里程碑式的進展，拓展了基於鑽石的電子產品的潛在應用領域。

Advent Diamond的專業技術不僅限於材料生長，還包括全面的元件設計、製造和表徵能力。這包括蝕刻、微影和金屬化等先進的無塵室工藝，以及顯微鏡、橢偏儀和電學測量等一整套表徵技術。 Advent Diamond表示，自己利用這種尖端生長技術，開發出了雜質濃度極低的本徵鑽石層，確保了半導體級鑽石材料的最高品質和性能標準。

Advent Diamond 聯合創辦人兼執行長Manpuneet Benipal表示，Advent Diamond正在開發的創新鑽石輻射探測器為國防、商業和科學市場提供了變革性的解決方案。透過利用摻雜和本徵半導體鑽石層，這些探測器在探測高能量粒子輻射方面具有卓越的輻射硬度和噪音抑制能力。這些探測器用途廣泛，從紫外線和阿爾法粒子到X 射線和質子，展現了Advent Diamond的技術實力。

Benipal指出，目前Advent Diamond已有1 到2 英吋的鑲嵌鑽石晶片，並正在努力將晶片尺寸擴大到4 英吋。然而，缺陷密度仍然是一個關鍵問題，大多數晶片的缺陷約為10 ⁸個/平方厘米或更高。他表示，必須將缺陷降低到10 ³缺陷/平方厘米，才能達到預期效能。

為了應對這些挑戰，相關機構正在資助可擴展的鑽石技術項目，強調開發高品質的材料和先進的半導體裝置。在全球範圍內，研究小組正致力於改進二極體、電晶體和積體電路等鑽石裝置結構。這項合作旨在推動鑽石半導體進入主流應用領域，提高關鍵領域的性能和可靠性。

「Advent Diamond 正在引領成熟的摻雜[p 型和n 型] 和本徵鑽石材料層的開發，以及由這些優質鑽石層製成的組件/設備，用於電氣化、電信和量子技術的應用，」 Manpuneet Benipal說，「鑽石表現出卓越的電氣和材料特性，超越了GaN 和SiC，我們的目標是將這些特性轉化為卓越的半導體裝置性能。我們的願景是將具有無與倫比的規格和性能的鑽石半導體裝置引入商業市場，刺激電氣化、電信和量子應用領域的創新。在不同厚度的摻雜和本徵鑽石層中保持受控的摻雜濃度。有望成為第一個將鑽石RF 二極體和其他突破性半導體裝置推向市場的公司。

在美國，還有一家名為Akhan Semiconductor的公司也在致力於鑽石半導體材料的研發，其成立於2007年，早在2013年左右就獲得了美國能源部阿貢國家實驗室開發的突破性低溫鑽石沉積技術的獨家鑽石半導體應用許可權。

這項技術可以在低至攝氏400 度的溫度下在各種晶片基底材料上沉積奈米晶鑽石。來自阿貢的低溫鑽石技術與Akhan 的Miraj Diamond 製程相結合，打破了半導體產業中鑽石薄膜的使用僅限於p 型摻雜的障礙。

Akhan在後續正式宣布了自己的Miraj Diamond平台，它開發了一種申請專利的新工藝，其中在矽上創建n 型鑽石材料，具有以前未證實的特性，例如250 meV(a) 的淺電離能、高載子遷移率（奈米晶鑽石薄膜中大於1000 cm ² /Vs）、無石墨相以及低壓大電流二極體元件應用中先前未證實的性能（+2V 正向偏壓時電流密度為900( b) A/mm ²）。

2021年8月，Akhan又宣布開發出首款將CMOS 矽與鑽石基板結合在一起的300 毫米（12 吋）晶圓，取得了階段性的里程碑。

Akhan的創辦人兼執行長Adam Khan在今年1月成立了新公司Diamond Quanta，該公司專注於半導體領域，目的是利用鑽石的優異特性為電力電子和量子光子設備提供先進的解決方案。

Diamond Quanta在5月宣布，其擁有的「統一鑽石框架」有利於真正的取代摻雜。這項創新技術將新元素無縫地融入鑽石的結構中，賦予鑽石新的特性，同時又不破壞其晶體完整性。因此，鑽石（一種傳統上以其絕緣特性而聞名的材料）已轉變為能夠支援負（n 型）和正（p 型）電荷載子的高性能半導體。這種遷移率水平表明鑽石晶格非常乾淨、有序，並且由於成功實施了減輕載流子傳輸缺陷影響的共摻雜策略，散射中心得到了有效鈍化。此外，摻雜過程透過修正位錯來細化現有的鑽石結構，從而提高材料的導電性。這些進步不僅保留而且增強了鑽石結構，避免了常見的缺陷，例如明顯的晶格畸變或引入通常會降低遷移率的陷阱態。

「啟動Diamond Quanta 並開發這種先進的摻雜製程是必要的。電子、汽車、航空航太、能源等行業一直在尋找一種半導體技術，能夠應對其技術擴張不斷變化的需求所帶來的日益增長的壓力。 「我們的技術不僅為尋求提高半導體效率的行業提供替代材料；我們正在推出一種全新材料，它將重新定義性能、耐用性和效率的標準，它將在無縫地為現代時代日益沉重的負載提供動力方面發揮不可或缺的作用。

寫在最後

與國外相比，雖然目前國內的鑽石產量較高，但在功能性應用的領域，尤其是對鑽石材料的開發，仍處於較落後的階段。

西安電子科技大學蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內鑽石發展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領域落後。在CVD鑽石研究領域，從專利分佈來看，美國、歐洲、日本的研究處於領先地位，我國發展相對緩慢，原創性研究較少。

即便是國外，在量產商用這一材料上也還有很多的路要走，但我們相信，在各方的共同推動下，具備各種優異特性的鑽石材料在未來會得到進一步發展，幫助半導體材料領域邁出至關重要的一步。