金刚石半导体，一路向西

今年 3 月，新疆润晶科技有限公司投资建设的金刚石生产线在哈密高新技术产业开发区南部循环经济产业园迎来首批产品下线。这一具有里程碑意义的事件，不仅标志着新疆首条金刚石生产线正式投产，更拉开了我国新疆地区乃至整个西部地区金刚石产业蓬勃发展的大幕。

 01被称为终极半导体的金刚石

长期以来，金刚石因其审美价值而受到重视。但如今，在氮化镓和碳化硅之后，金刚石作为一种新型半导体材料闯入了大家的视线当中，并引发了研究人员和行业专家的关注。

金刚石半导体具有超宽禁带（5.45eV）、高击穿场强（10MV/cm）、高载流子饱和漂移速度、高热导率（22 W/cmK）等材料特性，远超第三代半导体材料 GaN 和 SiC。并且它还拥有优异的器件品质因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金刚石衬底能够研制出适用于高温、高频、大功率以及抗辐照环境的电子器件，有效克服传统器件面临的 “自热效应” 和 “雪崩击穿” 等技术难题，在 5G/6G 通信、微波 / 毫米波集成电路、探测与传感等前沿领域发挥着至关重要的作用。

值得一提的是，金刚石具有高达 80meV 的激子束缚能，这使其在室温下就能实现高强度的自由激子发射，发光波长约为 235nm。这一特性让它在制备大功率深紫外发光二极管方面极具潜力，同时在极紫外深紫外和高能粒子探测器的研制中也占据重要地位。

使用金刚石电子器件优势明显，它不仅能够大幅减轻传统半导体的热管理压力，而且能源利用效率更高，还能承受更高的击穿电压，适应恶劣的工作环境。

例如，在电动汽车中，基于金刚石的功率电子器件可以实现更高效的功率转换、延长电池寿命以及缩短充电时间；在电信领域，尤其是在5G及更高级别网络的部署中，对高频和高功率器件的需求日益增长。单晶金刚石基板提供了必要的热管理和频率性能，支持下一代通信系统，包括射频开关、放大器和发射器；消费电子领域，单晶金刚石基板可以推动更小、更快、更高效的智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备组件的开发，从而带来新的产品创新并提高消费电子市场的整体性能。

在特性优势和广阔应用前景驱动下，金刚石在半导体产业链的多个环节都展现出巨大的潜力和价值。从热沉、封装到微纳加工，再到 BDD 电极及量子科技应用，金刚石正稳步渗透到半导体行业的各个关键领域，成为推动技术创新与产业升级的重要力量。

 02金刚石产业化近在眉睫

当前，金刚石半导体正处于从研发走向实际应用的关键阶段，虽然在导热衬底、辐照探测器等领域已取得一定的应用成果，但仍然面临诸多挑战。高质量半导体金刚石材料的制备、掺杂、加工以及器件工艺等方面的科学和技术问题尚未得到彻底解决。金刚石导电性能差且难以有效调控，晶片尺寸较小，这些问题严重制约了其半导体技术的进一步发展。此外，金刚石半导体电子器件的关键技术尚未取得实质性突破，应用市场也有待进一步开拓。

电子级金刚石产业化面临着诸多亟待攻克的难题：首先，在金刚石半导体级材料生长设备方面，需要构建新型多目标微波谐振腔优化方法，针对大尺寸、高均匀度及高等离子体密度对设备进行优化，确保在大尺寸条件下实现高速、高品质的生长；其次，实现金刚石的高效体掺杂激活以及室温高性能 pn 结，仍然是全球范围内尚未解决的难题；再者，金刚石属于超硬材料，要使其达到硅或碳化硅抛光片的面型和粗糙度标准，满足“衬底级” 要求，金刚石的磨削加工技术还有待大力突破。氢终端金刚石虽已完成微波单片集成电路（MMIC）功能验证，但存在迁移率低和稳定性不足的问题；硅终端金刚石凭借更高的电导率和稳定性展现出更大的商用潜力，然而其复杂的工艺目前仍处于研究初期。

大尺寸的金刚石衬底材料较为稀缺，虽然可以通过异质外延衬底、衬底拼接等方法获取大尺寸外延材料，但内部缺陷较多。例如，目前 4 - 8 英寸的金刚石异质外延晶圆位错密度接近 10⁷cm⁻² ，这对器件的性能和良品率产生了严重影响。此外，金刚石半导体的制备成本居高不下，与硅相比差距较大，这在很大程度上限制了其在大规模商业领域的应用。不过，令人振奋的是，相关研究在近期取得了重大进展。

2024 年 12 月 19 日，北京大学研究团队开创性地研发出能规模化生产大尺寸、超光滑柔性金刚石薄膜的新技术。这一突破对于金刚石在半导体领域的应用意义非凡，大尺寸、超光滑柔性金刚石薄膜可应用于柔性电子器件、高功率射频器件等多个领域，极大地拓展了金刚石的应用范围。

与此同时，中国科研团队在高温高压条件下发现了石墨经由后石墨相形成六方金刚石的全新路径，并首次成功合成出高质量六方金刚石块材。研究发现，六方金刚石具有比立方金刚石更高的硬度和良好的热稳定性。这一成果不仅为纯相六方金刚石的人工合成提供了有效途径，有力证明了其独立存在，还为超硬材料和新型碳材料家族增添了一位性能卓越的新成员，为突破立方金刚石的应用局限带来了新的可能。

高效掺杂同样是金刚石半导体材料面临的一大挑战。在 CMOS 集成电路制造过程中，如同传统硅电子器件一样，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET。

日本国立材料研究所（NIMS）的一个研究小组开发出了世界上第一个n 通道金刚石 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。这一突破标志着实现基于金刚石的 CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路迈出了重要一步，使其能够在极端环境中使用，并推动了基于金刚石的电力电子的发展。该国立材料科学研究院的研究团队开发出一种技术，通过在金刚石中掺杂低浓度的磷，在原子水平上生长出具有光滑平坦梯级的高质量单晶n型金刚石半导体。利用该技术，该团队在世界上首次成功制造出n沟道金刚石MOSFET。

此外，有专家预测，未来3—5 年 4 英寸金刚石衬底有望实现量产，其优异的电导特性有望破解宽禁带半导体缺乏高效 p 型器件这一全球难题。

随着各项技术不断取得突破，金刚石半导体产业化已迫在眉睫。

我国在这一领域也不甘落后。西安交大宽禁带半导体材料与器件研究中心实现了2英寸金刚石的产业化。在国内率先实现了2英寸单晶金刚石的制备技术，填补了国内空白，目前的指标已经优于国外最好水平，生产的单晶金刚石材料已经广泛应用于我国5g通讯，为高频、 大功率探测企业提供了核心材料与技术支撑。近年来，西安交大研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，还成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化。

 03西部金刚石产业布局

随着技术逐渐突破，各地纷纷加快布局金刚石相关项目，尤其是电子级金刚石项目。在新疆等西部地区，相关项目呈现出密集上马的态势。

3 月 3 日，新疆生产建设兵团第十师北屯市与北京卓融和远科技发展有限公司正式签署半导体材料项目合作协议。该项目总投资 40 亿元，将落户北屯经济技术开发区，专注于第三代半导体新材料的研发与生产，重点发展金刚石、碳化硅等宽禁带半导体材料。

3 月 4 日，新疆润晶科技有限公司投资建设的金刚石生产线首批产品下线，成为新疆首条投产的金刚石生产线。按照规划，该项目产能将达到 10 亿克拉（即 200 吨）。目前，该公司正联合地方政府规划建设占地 500 亩的金刚石产业园，已吸引 12 家上下游企业达成入驻意向，涵盖设备制造、精密加工等配套环节。计划在三年内打造从原材料到终端产品的完整产业链，带动哈密新材料产业规模突破 50 亿元。

3月18日，新疆碳基芯材科技有限公司总投资超20亿元的年产150万克拉金刚石项目签约落地，以“硬科技+绿动能”双轮驱动，剑指国内高端工业金刚石35%市场份额，年产值预计突破12亿元。该项目采用全球领先的MPCVD-Ⅲ型智能沉积系统，单炉生长速率高达30μm/h，较传统工艺提升5倍。这一技术突破直接指向电子级金刚石的核心痛点——生长效率与纯度。目前，项目一期规划建设20台工业级沉积设备，年产50万克拉纯度达99.999%（5N级）的电子级金刚石，并重点攻关8英寸单晶衬底技术，为半导体领域提供“终极衬底”材料。项目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。金刚石中氮空位（NV色心）的量子特性，可大幅提升导航系统在极端环境下的稳定性。项目三期将联合中科院破局功率器件，建设金刚石基GaN功率器件中试线，解决5G基站、新能源汽车等领域的高频高压器件散热难题。

4月9日，总投资4.7亿元的新疆臻星新材料科技有限公司木垒12.55万克拉人造金刚石项目正式开工建设。此项目占地60亩，采用国际领先的化学气相沉积（CVD）技术。该技术凭借高效、环保、低成本以及能够生产大尺寸产品的突出优势，可实现大尺寸、高纯度金刚石单晶的大规模量产，所生产的产品质量更是达到了国际领先水准。据了解，该项目建设周期预计6个月，2025年10月竣工。项目建成后，一期预计实现年利润总额1亿元。产品主要聚焦于高精度机械加工工具、半导体热沉片、航空航等核心材料领域，深度融入新能源汽车、芯片制造、国防军工等战略性新兴产业，发展前景十分广阔。

此外，还有一批相关项目正在审批中。新疆之所以密集布局金刚石相关项目，主要在于产业驱动，包括石油钻探、西电东送等。

目前新疆新能源产业体系已构建成型，绿色能源正源源不断地向外输出，而这有赖于超高压输电。而金刚石半导体凭借超宽禁带、高击穿场强、高载流子饱和漂移速度、高热导率等材料特性，能提供比第三代半导体更优异的解决方案。

此外，在石油钻探领域需要超硬材料作为钻头。而金刚石可以用于各类钻头的涂塑，增加钻头的硬度。以金刚石成品生产为牵引，可以形成包括石墨开采、刀具加工、金刚石和钻石加工在内的全行业产业链。而且金刚石还可以用于制造量子传感器，在石油勘探过程中，量子重力仪和磁力仪（一种量子传感器的应用）可用于高精度地质结构探测，提高石油勘探的准确性和效率，降低勘探成本。