2022年8月12日，美国商务部将压力增益燃烧技术、EDA软件、氧化镓和金刚石等宽禁带半导体材料列入商业管制清单，限制出口。这一措施对我国半导体行业发展产生了制约。半导体材料是半导体器件和集成电路的基础，其生产涉及复杂的产业链，包括上游的衬底和外延材料、中游的器件和集成电路设计、以及下游的晶圆封装等环节。衬底材料毛利率达 50%左右，是产业链最具价值、技术含量最高的环节，几乎决定着芯片制程的技术路线，衬底的选择对未来半导体产业的发展起关键性作用。
目前第三代半导体有氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、AlN（氮化铝）、ZnO（氧化锌）等，近年来各国陆续布局半导体产业，产业化进程快速崛起。金刚石禁带宽度达 5 eV，是当前单质半导体材料中带隙最宽的材料，同时具有高击穿电场、大饱和载流子速度、高载流子迁移率和底介电常数等优异电学性质，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，有望成为第四代半导体材料。
CVD 金刚石与其他半导体材料性能对比
各代半导体材料禁带宽度
1.企业下注与创新动态
在国内，2021年，四方达与郑州大学签订协议，获得CVD金刚石制备及应用技术，并启动MPCVD合成金刚石与半导体器件研究，随后通过增资天璇半导体，拓展了CVD金刚石业务。2022年，化合积电公司实现 125mm 金刚石热沉片生产；2023年底，专利材料显示，华为公司与哈尔滨工业大学联合申请的这项发明专利实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。外界分析称，这一技术的突破之处在于，它成功地将硅和金刚石这两种性质迥异的材料结合在一起，开创了芯片制造领域的新思路；目前，元素六公司已实现 4 英寸电子级多晶金刚石的商业化量产，
日本也积极推动金刚石半导体的实用化。根据《日本经济新闻》的报道，日本初创企业OOKUMA公司计划最早于2026年度开始投产。日本佐贺大学的研究表明，金刚石半导体在高温和高电压下的性能远超当前主流的硅基半导体，其工作温度可达到硅基半导体的5倍，承受电压可达到33倍。
OOKUMA公司计划将其金刚石半导体器件首批应用于福岛第一核电站的核废料处理任务。由于核废料处理需要在极高的辐射强度和高温环境下进行，普通半导体器件在这样的极端条件下寿命极短，而金刚石半导体能够在450摄氏度的高温和高辐射环境中稳定工作。
此外，传统上为了保护半导体器件免受强辐射和高温影响，往往需要用沉重的铅包裹并配备专门的冷却装置。金刚石半导体的应用可以省去这些装置，从而减轻机器人的重量，提高工作效率。
除了核废料处理，OOKUMA公司还计划将金刚石半导体应用于卫星通信领域，与三菱电机等公司开展联合研究。同时，OOKUMA公司也计划与日本其他厂商合作，开发用于纯电动汽车的金刚石半导体器件，以推动其在更广泛应用中的发展。
2.CVD 金刚石制备
人工合成金刚石的主流方法可分为高温高压(HPHT)法和化学气相沉积(CVD)法两大类。其中，HPHT法主要用于合成金刚石粉体(或小尺寸单晶)，主要应用于切割、磨削、抛光等机械工具领域。不过，HPHT法对于金刚石内部缺陷和杂质的控制比较困难，目前还无法满足半导体金刚石材料的合成需求。CVD法可以制备高质量的金刚石，因其优越的腔室真空环境，使所制备的金刚石材料内部杂质较少。CVD法包括热丝CVD法、等离子体喷射CVD法、微波等离子体CVD法。在这三种CVD方法中，微波等离子体CVD(MPCVD)法因为没有电极污染而备受青睐。它采用微波激发真空腔室中的反应气体，从而产生等离子体。等离子体中的碳相关活性基团在衬底表面沉积，从而实现金刚石的生长。MPCVD金刚石生长过程中，除了气体中自身携带的极少量杂质外(这些杂质可以通过使用超高纯化气体来极大消除)，一般不会再引入其他杂质。所以，MPCVD法生长的金刚石纯度可以非常高。因此，MPCVD方法被认为是制备半导体金刚石材料的最佳方案。
目前制备大尺寸金刚石及晶圆，有不同的技术路线：同质外延生长技术能够生产缺陷密度较低的单晶薄片，最大尺寸可达1英寸。马赛克拼接技术则通过将多个小片金刚石晶片拼接在一起，可以制造出直径达到2英寸的金刚石晶圆。利用金刚石异质外延技术，可生产出最大尺寸为4英寸的晶圆。如采用低成本异质外延 CVD 法，通过生长金刚石多晶薄膜，晶圆已达 8 英寸，可作为导热衬底，用于新一代功率电子器件。
多晶金刚石作为大功率芯片、电子器件散热片方面具备高性能优势，未来随产量提升和成本下降有望在半导体散热片领域得到大规模应用。目前国际最大制备尺寸可达 8 英寸，随着 MPCVD 技术的改善升级有望与现存的 8 英寸半导体晶圆制造产线兼容，最终实现多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业的规模化应用推广。
金刚石和 SiC 热沉基板热管理能力对比
3.应用市场
金刚石在极端恶劣环境下的优异性能，使其在人工智能（AI）相关领域中具有重要应用价值。金刚石的高红外透过率和低光学自发射率，使其成为光学窗口的理想材料，能够显著提升AI驱动的红外搜索与跟踪系统的性能。这些系统广泛用于机载、弹载和舰载的先进武器平台中。
在高功率微波武器和高能激光武器中，金刚石的高热导率和优良的光学性能可有效减少温度梯度和折射率梯度变化，从而保持光束的稳定性。对于人工智能系统所需的精确测量和操作，金刚石作为高能CO2激光器的输出介质窗口，能够提供高功率和高频率的稳定输出。
此外，金刚石的X射线窗口特性，包括更高的透过率、高强度硬度和高损伤阈值，使其成为新一代X射线窗口材料的有力候选，能够替代传统材料如铍。这样的材料在AI驱动的医学影像和安全检查领域中具有广泛的应用潜力。
高功率微波窗口常用介质材料的性能参数
2021 年全球 CVD 金刚石市场销售额达到了 4 亿美元，预计 2028 年将达到 6.8 亿美元，年复合增长率（CAGR）为 7.7%（2022-2028）。根据共研网统计，中国 CVD 金刚石市场规模从 2014 年的 0.35 亿元增长至 2021 年的 1.51 亿元。目前我国 CVD 金刚石市场规模较小，考虑到半导体材料随下游半导体市场快速增长，以及在新能源、互联网、云计算、数据中心、消费电子等诸多领域信息化发展对半导体的庞大需求，随着第四代半导体材料逐渐应用，CVD 金刚石市场规模潜力巨大
来源：粉体圈（360powder.dom）
