又被日本*？金剛石半導(dǎo)體技術(shù)，即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

不可否認(rèn)，第四代半導(dǎo)體金剛石，已初露鋒芒！

金剛石功率半導(dǎo)體，憑借其*的性能，被行業(yè)寄予厚望，即將改變從電動(dòng)汽車(chē)到發(fā)電站等各個(gè)行業(yè)。

日經(jīng)亞洲的一份報(bào)告稱(chēng)，使用巴利加品質(zhì)因數(shù)來(lái)衡量金剛石功率半導(dǎo)體的性能，金剛石的性能是碳化硅的 80 倍，是氮化鎵的 10 倍以上。更高的巴利加品質(zhì)因數(shù)得分表明該材料能夠顯著降低功率損耗。

金剛石vs硅基，電力損耗僅1/50000，賽道火熱

日前，外網(wǎng)發(fā)布，日本在功率半導(dǎo)體中使用合成金剛石方面取得了重大進(jìn)展，其電氣強(qiáng)度是硅的 33 倍，熱耐受性是硅的 5 倍。日本在金剛石半導(dǎo)體技術(shù)方面的重大進(jìn)步為其商業(yè)化鋪平了道路，并有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)這些半導(dǎo)體比硅器件多 50,000 倍的電力。

據(jù)了解，這些新型半導(dǎo)體由人造金剛石制成，金剛石因其超強(qiáng)的熱導(dǎo)率和電氣強(qiáng)度而被稱(chēng)為“*半導(dǎo)體材料”。

在過(guò)去幾年間，行業(yè)正在不斷追求更高效、更強(qiáng)大的半導(dǎo)體，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)與發(fā)展，讓行業(yè)突破了硅的限制，開(kāi)發(fā)出更高效、更可持續(xù)的技術(shù)，如今這些材料在可再生能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)和其他減少碳排放的技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

而在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石也就是鉆石，作為一種新半導(dǎo)體材料闖入了大家的視線當(dāng)中，并引發(fā)了研究人員和行業(yè)專(zhuān)家的關(guān)注。

目前，第四代半導(dǎo)體，這一概念雖尚未被大眾所熟知，但卻已在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注和熱議。與前三代半導(dǎo)體相比，第四代半導(dǎo)體不僅在材料種類(lèi)上實(shí)現(xiàn)突破，更在性能上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，以獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，為解決當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn)提供全新的思路和解決方案。

其中，金剛石非常適合用于為半導(dǎo)體供電，因?yàn)樽鳛榻^緣體，金剛石的電氣強(qiáng)度比硅高出約 33 倍。金剛石半導(dǎo)體可處理比傳統(tǒng)硅器件高達(dá) 50,000 倍的電能，使其成為電動(dòng)汽車(chē)和航空航天等高需求應(yīng)用的理想選擇。

基于業(yè)界長(zhǎng)期的研發(fā)活動(dòng)，如今金剛石半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始逐步邁向?qū)嵱没�。隨著業(yè)界對(duì)金剛石半導(dǎo)體的關(guān)注程度越高，其優(yōu)勢(shì)資源匯集、研發(fā)速度加速擴(kuò)張，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程越來(lái)越近。目前，以金剛石晶圓為標(biāo)志的新一輪國(guó)際科技競(jìng)賽已打響，國(guó)際上相繼布局。日本、歐洲、美國(guó)、中國(guó)*為代表性！

日本Orbray株式會(huì)社、日本早稻田大學(xué)旗下PDS公司、美國(guó)Diamond Foundry、英國(guó)元素六、法國(guó)Diamfab、中國(guó)華為、哈工大、寧波材料所、北科大、西交大等單位已有初步成果，這意味著鉆石晶圓時(shí)代的開(kāi)始。

日本研發(fā)，使金剛石半導(dǎo)體更接近現(xiàn)實(shí)？

早期，在1980年一一2000年期間，日本無(wú)機(jī)材質(zhì)研究所（如今的“NIMS”）、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：“產(chǎn)總研”）創(chuàng)造了諸多成果，如結(jié)晶合成法、制作了p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體等。尤其是日本產(chǎn)綜研的研發(fā)內(nèi)容一應(yīng)俱全，如金剛石結(jié)晶的生長(zhǎng)、晶圓的制造、二極管和晶體管等元件的研發(fā)，即使是今天，產(chǎn)綜研的研發(fā)水平也是首屈一指。不過(guò)，這些研發(fā)活動(dòng)都是僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的驗(yàn)證工作，并且并未研發(fā)出可用于電子線路、設(shè)備的實(shí)際半導(dǎo)體。

盡管人們對(duì)金剛石在半導(dǎo)體中的應(yīng)用的研究已有 30 多年，遇到了多重障礙，但這幾年，日本研究人員在半導(dǎo)體技術(shù)方面取得了令人矚目的飛躍，以大學(xué)研發(fā)主導(dǎo)，結(jié)合企業(yè)產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)方式，布局動(dòng)作發(fā)布尤其頻繁，其官方對(duì)外發(fā)布有望在金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，并有可能在 2025 年至 2030 年之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)在日本金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化道路上*為典型。

1、佐賀大學(xué)&Orbray

佐賀大學(xué)一直處于這項(xiàng)創(chuàng)新的前沿，于2023 年開(kāi)發(fā)出世界上*個(gè)由金剛石半導(dǎo)體制成的功率器件?。這一突破是與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 合作實(shí)現(xiàn)的，重點(diǎn)是用于太空通信的高頻元件。這項(xiàng)技術(shù)的影響不僅限于地面應(yīng)用，還可能提高太空探索設(shè)備的可靠性和性能。

太空應(yīng)用對(duì)高頻元件的重視表明了金剛石在極端環(huán)境下改善信號(hào)完整性的潛力。JAXA 與佐賀大學(xué)在這些項(xiàng)目上的合作凸顯了金剛石半導(dǎo)體的吸引力，不僅因?yàn)樗鼈兊哪陀眯裕�還因?yàn)樗鼈兡軌蚴剐l(wèi)星和航天器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高效的電源管理，這是可靠性至關(guān)重要的太空探索任務(wù)中的關(guān)鍵因素。

此外，總部位于東京的 Orbray ，在過(guò)去的幾年里，積極布局金剛石芯及相關(guān)應(yīng)用，率先開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的異質(zhì)外延工藝，在經(jīng)濟(jì)高效的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)單晶金剛石，并取得了一系列里程碑結(jié)果。

2021年，宣布與與佐賀大學(xué)合作，采用專(zhuān)有的階梯流生長(zhǎng)方法，開(kāi)發(fā)出直徑為2英寸的高品質(zhì)金剛石晶圓（產(chǎn)品名稱(chēng)：KENZAN Diamond?）。

隨后，Orbray改進(jìn)了其生產(chǎn)方法，通過(guò)盡量減少晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的氮污染，2022年4月開(kāi)發(fā)了直徑為2英寸的超純金剛石晶片的大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)，氮?dú)鉂舛葹? ppb或更低（ppb=十億分之一），幾乎消除了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的氮污染，從而實(shí)現(xiàn)了超高純度。

2022年5月，日本佐賀大學(xué)的嘉數(shù)誠(chéng)教授與Orbray公司聯(lián)手利用2英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為875MW/cm2（為全球*高）、高壓達(dá)2568V的半導(dǎo)體。

2023年5月，Orbray 宣布，與豐田旗下車(chē)載半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)?Mirise Technologies 簽訂協(xié)議，共同研發(fā)金剛石功率半導(dǎo)體，目標(biāo)是在2030年代實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達(dá)成戰(zhàn)略合作，共同生產(chǎn)“全球品質(zhì)*高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現(xiàn)其對(duì)工業(yè)重視及布局*性。

目前，Orbray已開(kāi)發(fā)出 2 英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)，并正在朝著?實(shí)現(xiàn) 4 英寸基板的目標(biāo)邁進(jìn)。這種規(guī)模擴(kuò)大對(duì)于滿足?電子行業(yè)的商業(yè)需求至關(guān)重要。該公司也致力于將金剛石半導(dǎo)體整合到主流應(yīng)用中，其預(yù)計(jì)在 2030 年代將會(huì)出現(xiàn)車(chē)載電源設(shè)備。

擴(kuò)張并未止步于此。Orbray 計(jì)劃在秋田縣建立新工廠，以提高生產(chǎn)能力，并計(jì)劃在 2029 年進(jìn)行*公開(kāi)募股。

2、日本早稻田大學(xué)&Power Diamond Systems公司

日本早稻田大學(xué)，則是另一所產(chǎn)學(xué)研代表性大學(xué)。

2022年，日本早稻田大學(xué)還誕生了一家以“實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體實(shí)用化”為業(yè)務(wù)目標(biāo)的初創(chuàng)型企業(yè)，Power Diamond Systems（簡(jiǎn)稱(chēng)為：“PDS”），于 2023 年成功開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)技術(shù)，以提高金剛石功率器件的載流能力。該公司計(jì)劃在未來(lái)幾年推出樣品，并已與九州工業(yè)大學(xué)建立了合作伙伴關(guān)系。

PDS的目標(biāo)是構(gòu)筑一個(gè)從材料、芯片，到系統(tǒng)的完整生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)該司成為業(yè)界“主角”的目標(biāo)，主要是攻克加強(qiáng)該技術(shù)在電力效率應(yīng)用。

PDS公司金剛石半導(dǎo)體成果先驅(qū)，Kawarada教授曾利用金剛石半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)（氫終端表面），研發(fā)了金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），并為業(yè)界熟知。2023年12月，早稻田大學(xué)Kawarada教授研究小組和Power Diamonds Systems (PDS)宣布開(kāi)發(fā)出一種常關(guān)金剛石MOSFET。

3、北海道大學(xué)&日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所

與此同時(shí)，由北海道大學(xué)和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）聯(lián)合創(chuàng)辦的創(chuàng)業(yè)公司大隈鉆石設(shè)備公司（Ookuma Diamond Device）正在福島縣大隈市建設(shè)大型量產(chǎn)工廠。該工廠預(yù)計(jì)將于 2026 財(cái)年（2026 年 4 月至 2027 年 3 月）投入運(yùn)營(yíng)，旨在將其產(chǎn)品用于福島*核電站的核廢料清除設(shè)備。據(jù)了解，這些核廢料是2011年福島核事故中反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)和核燃料熔化產(chǎn)生的高放射性殘留物，只有金剛石半導(dǎo)體等耐高輻射的設(shè)備才能處理它們。通過(guò)將這些設(shè)備應(yīng)用于核廢料清除，Ookuma Diamond Device 等公司展示了金剛石半導(dǎo)體如何在能源和環(huán)境領(lǐng)域帶來(lái)變革，為傳統(tǒng)材料提供持久的替代品。

這些發(fā)展尤其引人注目，因?yàn)榻饎偸�半�?dǎo)體以其*的性能和處理極端條件的能力而聞名，這可能會(huì)改變各種高需求的電子行業(yè)。

此外，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所也在有效利用其長(zhǎng)期積累的“一條龍”式（從結(jié)晶生長(zhǎng)、晶圓加工，到制成芯片）的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以推進(jìn)芯片的實(shí)用化。其目標(biāo)是利用大面積芯片（Chip）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時(shí)“兩手抓”。

4、產(chǎn)業(yè)鏈上其他配套企業(yè)

另外，金剛石半導(dǎo)體加速商業(yè)化的潛力正在引起相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上其他端口企業(yè)的關(guān)注。

例如，JTEC公司專(zhuān)門(mén)為研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)精密設(shè)備，并開(kāi)發(fā)了一種用于拋光高硬度材料表面的等離子技術(shù)。EDP是日本*一家從事寶石用合成金剛石種子制造和銷(xiāo)售的公司，擁有世界上*大的單晶生產(chǎn)機(jī)制。該公司還參與金剛石半導(dǎo)體基板和工具材料的生產(chǎn)。

隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，合成金剛石的品質(zhì)和穩(wěn)定供應(yīng)越來(lái)越重要。住友電工在 20 世紀(jì) 80 年代利用工業(yè)應(yīng)用的高品質(zhì)材料生產(chǎn)出世界上*大的合成金剛石單晶“SumiCrystal”。

不得不承認(rèn)，日本在金剛石半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域確實(shí)處于*地位，凸顯了全球競(jìng)相開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料以突破電子設(shè)計(jì)界限的趨勢(shì)。這條賽道上依舊存在許多難題與可能性。

未來(lái)，金剛石半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用將如何影響電動(dòng)汽車(chē)和發(fā)電站的效率和性能，金剛石半導(dǎo)體的成功商業(yè)化需要克服哪些挑戰(zhàn)，以及日本金剛石半導(dǎo)體的出現(xiàn)將如何影響全球半導(dǎo)體市場(chǎng)動(dòng)態(tài)？

如今，國(guó)際上已經(jīng)有越來(lái)越多的單位正在將金剛石半導(dǎo)體從研發(fā)階段推向?qū)嵱没�。而中�?guó)作為金剛石生產(chǎn)大國(guó)，近幾年來(lái)更是將材料價(jià)格打到了白菜價(jià)！

總的來(lái)說(shuō)，金剛石作為未來(lái)半導(dǎo)體材料，在這一賽道更是充滿了中國(guó)智慧與力量，品質(zhì)上來(lái)說(shuō)，隨著技術(shù)不斷突破，大單晶已不再成為難題。當(dāng)下，正值功能化應(yīng)用發(fā)展探索新風(fēng)口，中國(guó)能否做到并、領(lǐng)跑？中國(guó)，金剛石半導(dǎo)體商業(yè)化，還需要多久？