金刚石半导体，产业化还有多远？

金刚石半导体，是新一轮焦点之一。

2025年10月9日，商务部与海关总署根据《中华人民共和国出口管制法》、《中华人民共和国对外贸易法》、《中华人民共和国海关法》、《中华人民共和国两用物项出口管制条例》，为维护国家安全和利益、履行防扩散等国际义务，联合发布四项公告，对部分物项实施出口管制，金刚石就在其中。

事实上，金刚石早就是未来半导体市场的关注焦点。2022年，美国商务部工业和安全局（BIS）在联邦公报上发布了临时最终规定，对 4 项 “新兴和基础技术” 实施出口管制，其中两项正是氧化镓、金刚石这类超宽禁带半导体材料。

金刚石，未来半导体

目前，半导体材料已然发展到第四代。

第一代半导体材料主要是硅、锗；第二代半导体材料主要是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）；第三代半导体材料主要是碳化硅（SiC)、氮化镓（GaN)。

第四代半导体材料是指具有极端禁带宽度的半导体材料，包括超宽禁带（UWBG）和超窄禁带（UNBG）两类。其中超宽禁带半导体材料的禁带宽度超过4 eV，能够承受高电压、高温、高辐射等恶劣环境，金刚石便属于其中一种，此外还有氧化镓、氮化铝等。超窄禁带半导体材料的禁带宽度低于 0.5 eV，能够实现低功耗、高灵敏度、高速率等优异性能，代表性的材料有锑化镓、砷化铟等。

金刚石禁带宽度约为5.5eV，是第四代材料性能最高的材料，被视为“终极半导体材料”，具备优异导热性能，是硅的13倍，适用于高频高功率高温电子器件。

当硅基半导体逼近“摩尔定律” 物理极限，第三代半导体材料成为产业突围的关键方向。而在碳化硅、氮化镓之后，金刚石半导体凭借“超宽禁带、超高热导、超强耐压”的三重特性，正在高功率、高频、极端环境等领域打开新的想象空间。

在高功率场景中，“散热” 与 “耐压” 是两大核心痛点 —— 传统硅器件在高电压、大电流下易发热失控，而碳化硅虽有提升，仍无法满足下一代高功率设备的需求。金刚石半导体的超高热导率与优异击穿场强，恰好成为解决这一痛点的关键。

随着新能源汽车向 800V 高压平台升级，传统硅基 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的耐压与散热短板愈发明显，金刚石可承受更高的电压，直接提高整车性能与安全性。

在高频通信领域，“频率上限” 与 “信号损耗” 是制约性能的关键，金刚石半导体的高载流子迁移率正使其成为高频信号传输的“理想载体”。比如在雷达系统、卫星通信等应用中发挥作用。

金刚石基氮化镓异质结器件通过界面热阻优化，可实现结温降低50%、功率密度提升 3 倍的性能突破，这类器件已在低轨卫星通信模块与 5G 毫米波基站中验证其可靠性。

在量子计算方面，金刚石中的色心，尤其是NV中心，因其独特的量子特性，可以作为量子比特（qubits），在量子计算中用于执行运算。其次金刚石的色心具有极高的量子操控精度，这对于构建高性能量子计算机至关重要。金刚石中的量子比特还可以在室温下操作，这与许多其他量子计算平台需要极低温环境形成对比，有助于降低量子计算系统的复杂性和成本。

日本，走在前列

日本在金刚石半导体技术方面的进步令人瞩目，预计到2025-2030年间将实现多项实际应用。

日本佐贺大学一直处于这项创新的前沿，于2023年开发出世界上第一个由金刚石半导体制成的功率器件。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作实现的，重点是用于太空通信的高频元件。

此外，总部位于东京的Orbray已开发出2英寸金刚石晶圆的量产技术，并正在朝着实现4英寸基板的目标迈进。一旦实现4英寸金刚石基板的商业化，将解决生产中的一个关键瓶颈，使广泛工业应用的可行性更近一步，并使日本的半导体行业能够在全球范围内树立新的标准。

Orbray还与英美资源集团（Anglo American plc）合作，推进其人造金刚石基板业务，重点开发用于功率半导体和通信的大直径金刚石基板。该公司计划扩大其在日本秋田县的生产设施，预计将于2029年首次公开募股。

Power Diamond Systems是一家从早稻田大学分拆出来的日本初创公司，于 2023年成功开发了一项技术，以提高金刚石功率器件的载流能力。该公司计划在未来几年推出样品，并已与九州工业大学建立了合作伙伴关系。

金刚石半导体加速商业化的潜力引起了人们对相关业务的更多关注。例如，JTEC公司专门为研究机构生产精密设备，并开发了一种用于抛光高硬度材料表面的等离子技术。

EDP公司是日本唯一一家从事宝石用人造金刚石种子生产和销售的公司，拥有世界上最大的单晶生产机制。该公司还从事金刚石半导体基片和工具材料的生产。

随着金刚石半导体技术的发展，合成金刚石的质量和稳定供应变得越来越重要。住友电工在20世纪80年代生产了世界上最大的人造金刚石单晶体，命名为 “SumiCrystal”，使用的是高质量的工业应用材料。

美国近几年来陆续诞生了一些金刚石半导体初创公司，这些公司大多利用多年的学术研发专业知识来推动半导体金刚石器件的商业化。比如Diamond Foundry、Diamond Quanta、Advent Diamond等。

国内金刚石半导体技术，加速产业化

2024年1月，根据西安交大官网信息，西安交大王宏兴教授研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，历经10年潜心研发，独立自主开发了2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底，并成功实现批量化，达到世界领先水平。

2024年12月，北京大学东莞光电研究院发布最新研究成果，该院与南方科技大学、香港大学组成的联合研究团队，在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得重要进展，成功开发出能够批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。

今年2月，吉林大学刘冰冰，姚明光教授团队联合中山大学朱升财教授，在国际顶级期刊《Nature Materials》上发表论文，宣布首次成功合成高质量六方金刚石块材，其硬度与热稳定性远超传统立方金刚石。该团队通过模拟陨石撞击地核的极端环境（50GPa超高压、1400℃），发现石墨可转变为六方金刚石，其硬度达155GPa，比立方金刚石高40%，热稳定性突破1100℃。

同月北方华创在互动平台回答投资者问题时表示正密切关注第四代半导体领域的研究进展，可为研究机构提供晶体生长、刻蚀、薄膜沉积等研究型设备。

华为在金刚石芯片领域也展现出深入布局。2024年，华为与哈尔滨工业大学联合申请了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”的专利。该技术通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成，为三维集成的硅基器件提供散热通道，提高器件可靠性。

华为还与厦门大学合作，在先进封装玻璃转接板集成芯片-金刚石散热技术上取得突破性进展。在芯片热点功率密度为约2W/mm²时，集成金刚石散热衬底能够使芯片最高结温降低高达24.1℃，芯片封装热阻降低28.5%。

除了科研院所的研究进展之外，中国也有一些企业正在加速金刚石半导体的产业化。

上市公司方面，人造金刚石主要企业有力量钻石、黄河旋风、惠丰钻石、国机精工、中兵红箭、四方达、沃尔德、光莆股份、恒盛能源等。

中兵红箭表示，公司功能金刚石产品可用于半导体、光学、散热、量子等领域。

黄河旋风表示，公司在金刚石半导体相关领域技术还处于研发阶段。

沃尔德表示，公司重点聚焦金刚石功能性材料在工具级、热沉级、光学级、电子级等方面的研究。

力量钻石全资子公司与中国台湾捷斯奥企业有限公司签订半导体高功率金刚石半导体项目，致力于研究半导体散热功能性金刚石材料。

光莆股份表示，公司投资的化合积电公司的金刚石热沉片可用于芯片散热。

恒盛能源表示，子公司桦茂科技将对金刚石在半导体晶圆应用领域保持积极的研发。

在2025年上半年多家新材料与装备企业的半年报中，金刚石已逐渐被更多企业纳入研发和产业化方向。天岳先进、斯瑞新材和致尚科技三家公司，分别在碳化硅衬底、铜基合金及装备制造等主营业务上保持发展，同时在金刚石相关领域展开探索。结合AI算力、光通信、新能源及半导体等未来科技趋势，金刚石的潜力正加速释放。

天岳先进正通过MPCVD方法开展单晶金刚石生长研究，尝试突破大尺寸、高质量衬底制备的技术瓶颈，并配合激光切割及分步加工工艺提升加工能力。斯瑞新材也明确提出布局铜金刚石材料研发。致尚科技推出的半导体抛光设备已可应用于碳化硅、氮化硅、石英玻璃及金刚石的研磨抛光。

金刚石产业化，四大挑战

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。

材料生长是金刚石半导体产业化的首要难题。当前主流的 12 英寸硅晶圆已实现规模化应用，可大幅降低芯片单位成本，而金刚石单晶衬底尺寸远小于 8 英寸，直接限制芯片集成度与产量。小尺寸衬底不仅无法满足大规模集成电路的高密度布局需求，还会推高设备折旧、原材料消耗等分摊成本，削弱价格竞争力。

制备技术同样存在瓶颈。化学气相沉积（CVD）是主流方法，但生长速率仅为每小时几微米到几十微米，难以匹配半导体产业的高效生产需求，且需精确控制多参数，设备与运行成本高昂。高温高压法（HTHP）虽能制金刚石，却易引入杂质与缺陷，无法直接用于半导体，而 CVD 法制备的金刚石在晶体质量和均匀性上仍需提升。

掺杂技术上，p 型与 n 型均陷困境。p 型掺杂主要依赖硼原子，但硼的电离能高达 0.37eV，室温下难以完全电离，载流子浓度极低。若进行重掺杂以提高浓度，又会导致晶格应力增大、表面缺陷增多，加剧电子 - 空穴复合，使器件开启电压升高、导通电阻增大。

n 型掺杂理论上可用磷原子，但其原子半径远大于碳原子，掺杂时会造成晶格严重畸变。这种畸变会大幅增加载流子散射几率，导致迁移率急剧下降，目前仍难以获得高浓度、高质量的 n 型掺杂金刚石，限制了相关器件应用。

不过，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。

在器件制造中，传统半导体工艺与金刚石兼容性差。光刻环节中，金刚石表面特性特殊，普通光刻胶难以均匀附着，易导致图形失真、线条不均；蚀刻环节中，金刚石化学稳定性极强，多数传统蚀刻剂效果微弱，难以精准控制蚀刻深度与形状。

金刚石超硬特性也给加工带来挑战。硅与碳化硅抛光片需达到原子级平整（粗糙度 RMS≤0.1nm），而金刚石硬度极高，普通磨削工具磨损快，即便使用金刚石砂轮，仍存在效率低、易产生热损伤等问题，难以满足 “衬底级” 表面质量要求。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”（ID：ICViews），作者：丰宁，36氪经授权发布。