金剛石半導(dǎo)體，是新一輪焦點之一。

2025年10月9日，商務(wù)部與海關(guān)總署根據(jù)《中華人民共和國出口管制法》、《中華人民共和國對外貿(mào)易法》、《中華人民共和國海關(guān)法》、《中華人民共和國兩用物項出口管制條例》，為維護國家安全和利益、履行防擴散等國際義務(wù)，聯(lián)合發(fā)布四項公告，對部分物項實施出口管制，金剛石就在其中。

事實上，金剛石早就是未來半導(dǎo)體市場的關(guān)注焦點。2022年，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局（BIS）在聯(lián)邦公報上發(fā)布了臨時最終規(guī)定，對 4 項 “新興和基礎(chǔ)技術(shù)” 實施出口管制，其中兩項正是氧化鎵、金剛石這類超寬禁帶半導(dǎo)體材料。

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金剛石，未來半導(dǎo)體

目前，半導(dǎo)體材料已然發(fā)展到第四代。

第一代半導(dǎo)體材料主要是硅、鍺；第二代半導(dǎo)體材料主要是砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）；第三代半導(dǎo)體材料主要是碳化硅（SiC)、氮化鎵（GaN)。

第四代半導(dǎo)體材料是指具有極端禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，包括超寬禁帶（UWBG）和超窄禁帶（UNBG）兩類。其中超寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度超過4 eV，能夠承受高電壓、高溫、高輻射等惡劣環(huán)境，金剛石便屬于其中一種，此外還有氧化鎵、氮化鋁等。超窄禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度低于 0.5 eV，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗、高靈敏度、高速率等優(yōu)異性能，代表性的材料有銻化鎵、砷化銦等。

金剛石禁帶寬度約為5.5eV，是第四代材料性能最高的材料，被視為“終極半導(dǎo)體材料”，具備優(yōu)異導(dǎo)熱性能，是硅的13倍，適用于高頻高功率高溫電子器件。

當硅基半導(dǎo)體逼近“摩爾定律” 物理極限，第三代半導(dǎo)體材料成為產(chǎn)業(yè)突圍的關(guān)鍵方向。而在碳化硅、氮化鎵之后，金剛石半導(dǎo)體憑借“超寬禁帶、超高熱導(dǎo)、超強耐壓”的三重特性，正在高功率、高頻、極端環(huán)境等領(lǐng)域打開新的想象空間。

在高功率場景中，“散熱” 與 “耐壓” 是兩大核心痛點 —— 傳統(tǒng)硅器件在高電壓、大電流下易發(fā)熱失控，而碳化硅雖有提升，仍無法滿足下一代高功率設(shè)備的需求。金剛石半導(dǎo)體的超高熱導(dǎo)率與優(yōu)異擊穿場強，恰好成為解決這一痛點的關(guān)鍵。

隨著新能源汽車向 800V 高壓平臺升級，傳統(tǒng)硅基 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的耐壓與散熱短板愈發(fā)明顯，金剛石可承受更高的電壓，直接提高整車性能與安全性。

在高頻通信領(lǐng)域，“頻率上限” 與 “信號損耗” 是制約性能的關(guān)鍵，金剛石半導(dǎo)體的高載流子遷移率正使其成為高頻信號傳輸?shù)摹袄硐胼d體”。比如在雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等應(yīng)用中發(fā)揮作用。

金剛石基氮化鎵異質(zhì)結(jié)器件通過界面熱阻優(yōu)化，可實現(xiàn)結(jié)溫降低50%、功率密度提升 3 倍的性能突破，這類器件已在低軌衛(wèi)星通信模塊與 5G 毫米波基站中驗證其可靠性。

在量子計算方面，金剛石中的色心，尤其是NV中心，因其獨特的量子特性，可以作為量子比特（qubits），在量子計算中用于執(zhí)行運算。其次金剛石的色心具有極高的量子操控精度，這對于構(gòu)建高性能量子計算機至關(guān)重要。金剛石中的量子比特還可以在室溫下操作，這與許多其他量子計算平臺需要極低溫環(huán)境形成對比，有助于降低量子計算系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

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日本，走在前列

日本在金剛石半導(dǎo)體技術(shù)方面的進步令人矚目，預(yù)計到2025-2030年間將實現(xiàn)多項實際應(yīng)用。

日本佐賀大學(xué)一直處于這項創(chuàng)新的前沿，于2023年開發(fā)出世界上第一個由金剛石半導(dǎo)體制成的功率器件。這一突破是與日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)合作實現(xiàn)的，重點是用于太空通信的高頻元件。

此外，總部位于東京的Orbray已開發(fā)出2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)，并正在朝著實現(xiàn)4英寸基板的目標邁進。一旦實現(xiàn)4英寸金剛石基板的商業(yè)化，將解決生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵瓶頸，使廣泛工業(yè)應(yīng)用的可行性更近一步，并使日本的半導(dǎo)體行業(yè)能夠在全球范圍內(nèi)樹立新的標準。

Orbray還與英美資源集團（Anglo American plc）合作，推進其人造金剛石基板業(yè)務(wù)，重點開發(fā)用于功率半導(dǎo)體和通信的大直徑金剛石基板。該公司計劃擴大其在日本秋田縣的生產(chǎn)設(shè)施，預(yù)計將于2029年首次公開募股。

Power Diamond Systems是一家從早稻田大學(xué)分拆出來的日本初創(chuàng)公司，于 2023年成功開發(fā)了一項技術(shù)，以提高金剛石功率器件的載流能力。該公司計劃在未來幾年推出樣品，并已與九州工業(yè)大學(xué)建立了合作伙伴關(guān)系。

金剛石半導(dǎo)體加速商業(yè)化的潛力引起了人們對相關(guān)業(yè)務(wù)的更多關(guān)注。例如，JTEC公司專門為研究機構(gòu)生產(chǎn)精密設(shè)備，并開發(fā)了一種用于拋光高硬度材料表面的等離子技術(shù)。

EDP公司是日本唯一一家從事寶石用人造金剛石種子生產(chǎn)和銷售的公司，擁有世界上最大的單晶生產(chǎn)機制。該公司還從事金剛石半導(dǎo)體基片和工具材料的生產(chǎn)。

隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，合成金剛石的質(zhì)量和穩(wěn)定供應(yīng)變得越來越重要。住友電工在20世紀80年代生產(chǎn)了世界上最大的人造金剛石單晶體，命名為 “SumiCrystal”，使用的是高質(zhì)量的工業(yè)應(yīng)用材料。

美國近幾年來陸續(xù)誕生了一些金剛石半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，這些公司大多利用多年的學(xué)術(shù)研發(fā)專業(yè)知識來推動半導(dǎo)體金剛石器件的商業(yè)化。比如Diamond Foundry、Diamond Quanta、Advent Diamond等。

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國內(nèi)金剛石半導(dǎo)體技術(shù)，加速產(chǎn)業(yè)化

2024年1月，根據(jù)西安交大官網(wǎng)信息，西安交大王宏興教授研究團隊采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，歷經(jīng)10年潛心研發(fā)，獨立自主開發(fā)了2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底，并成功實現(xiàn)批量化，達到世界領(lǐng)先水平。

2024年12月，北京大學(xué)東莞光電研究院發(fā)布最新研究成果，該院與南方科技大學(xué)、香港大學(xué)組成的聯(lián)合研究團隊，在金剛石薄膜材料制備和應(yīng)用方面取得重要進展，成功開發(fā)出能夠批量生產(chǎn)大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的制備方法。

今年2月，吉林大學(xué)劉冰冰，姚明光教授團隊聯(lián)合中山大學(xué)朱升財教授，在國際頂級期刊《Nature Materials》上發(fā)表論文，宣布首次成功合成高質(zhì)量六方金剛石塊材，其硬度與熱穩(wěn)定性遠超傳統(tǒng)立方金剛石。該團隊通過模擬隕石撞擊地核的極端環(huán)境（50GPa超高壓、1400℃），發(fā)現(xiàn)石墨可轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇饎偸?，其硬度達155GPa，比立方金剛石高40%，熱穩(wěn)定性突破1100℃。

同月北方華創(chuàng)在互動平臺回答投資者問題時表示正密切關(guān)注第四代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究進展，可為研究機構(gòu)提供晶體生長、刻蝕、薄膜沉積等研究型設(shè)備。

華為在金剛石芯片領(lǐng)域也展現(xiàn)出深入布局。2024年，華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請了“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”的專利。該技術(shù)通過Cu/SiO2混合鍵合技術(shù)將硅基與金剛石襯底材料進行三維集成，為三維集成的硅基器件提供散熱通道，提高器件可靠性。

華為還與廈門大學(xué)合作，在先進封裝玻璃轉(zhuǎn)接板集成芯片-金剛石散熱技術(shù)上取得突破性進展。在芯片熱點功率密度為約2W/mm2時，集成金剛石散熱襯底能夠使芯片最高結(jié)溫降低高達24.1℃，芯片封裝熱阻降低28.5%。

除了科研院所的研究進展之外，中國也有一些企業(yè)正在加速金剛石半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化。

上市公司方面，人造金剛石主要企業(yè)有力量鉆石、黃河旋風、惠豐鉆石、國機精工、中兵紅箭、四方達、沃爾德、光莆股份、恒盛能源等。

中兵紅箭表示，公司功能金剛石產(chǎn)品可用于半導(dǎo)體、光學(xué)、散熱、量子等領(lǐng)域。

黃河旋風表示，公司在金剛石半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)還處于研發(fā)階段。

沃爾德表示，公司重點聚焦金剛石功能性材料在工具級、熱沉級、光學(xué)級、電子級等方面的研究。

力量鉆石全資子公司與中國臺灣捷斯奧企業(yè)有限公司簽訂半導(dǎo)體高功率金剛石半導(dǎo)體項目，致力于研究半導(dǎo)體散熱功能性金剛石材料。

光莆股份表示，公司投資的化合積電公司的金剛石熱沉片可用于芯片散熱。

恒盛能源表示，子公司樺茂科技將對金剛石在半導(dǎo)體晶圓應(yīng)用領(lǐng)域保持積極的研發(fā)。

在2025年上半年多家新材料與裝備企業(yè)的半年報中，金剛石已逐漸被更多企業(yè)納入研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方向。天岳先進、斯瑞新材和致尚科技三家公司，分別在碳化硅襯底、銅基合金及裝備制造等主營業(yè)務(wù)上保持發(fā)展，同時在金剛石相關(guān)領(lǐng)域展開探索。結(jié)合AI算力、光通信、新能源及半導(dǎo)體等未來科技趨勢，金剛石的潛力正加速釋放。

天岳先進正通過MPCVD方法開展單晶金剛石生長研究，嘗試突破大尺寸、高質(zhì)量襯底制備的技術(shù)瓶頸，并配合激光切割及分步加工工藝提升加工能力。斯瑞新材也明確提出布局銅金剛石材料研發(fā)。致尚科技推出的半導(dǎo)體拋光設(shè)備已可應(yīng)用于碳化硅、氮化硅、石英玻璃及金剛石的研磨拋光。

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金剛石產(chǎn)業(yè)化，四大挑戰(zhàn)

當前，金剛石半導(dǎo)體正處于從研發(fā)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵階段，雖然在導(dǎo)熱襯底、輻照探測器等領(lǐng)域已取得一定的應(yīng)用成果，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

材料生長是金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的首要難題。當前主流的 12 英寸硅晶圓已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，可大幅降低芯片單位成本，而金剛石單晶襯底尺寸遠小于 8 英寸，直接限制芯片集成度與產(chǎn)量。小尺寸襯底不僅無法滿足大規(guī)模集成電路的高密度布局需求，還會推高設(shè)備折舊、原材料消耗等分攤成本，削弱價格競爭力。

制備技術(shù)同樣存在瓶頸?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）是主流方法，但生長速率僅為每小時幾微米到幾十微米，難以匹配半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)需求，且需精確控制多參數(shù)，設(shè)備與運行成本高昂。高溫高壓法（HTHP）雖能制金剛石，卻易引入雜質(zhì)與缺陷，無法直接用于半導(dǎo)體，而 CVD 法制備的金剛石在晶體質(zhì)量和均勻性上仍需提升。

摻雜技術(shù)上，p 型與 n 型均陷困境。p 型摻雜主要依賴硼原子，但硼的電離能高達 0.37eV，室溫下難以完全電離，載流子濃度極低。若進行重摻雜以提高濃度，又會導(dǎo)致晶格應(yīng)力增大、表面缺陷增多，加劇電子 - 空穴復(fù)合，使器件開啟電壓升高、導(dǎo)通電阻增大。

n 型摻雜理論上可用磷原子，但其原子半徑遠大于碳原子，摻雜時會造成晶格嚴重畸變。這種畸變會大幅增加載流子散射幾率，導(dǎo)致遷移率急劇下降，目前仍難以獲得高濃度、高質(zhì)量的 n 型摻雜金剛石，限制了相關(guān)器件應(yīng)用。

不過，有專家預(yù)測，未來3—5 年 4 英寸金剛石襯底有望實現(xiàn)量產(chǎn)，其優(yōu)異的電導(dǎo)特性有望破解寬禁帶半導(dǎo)體缺乏高效 p 型器件這一全球難題。

在器件制造中，傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝與金剛石兼容性差。光刻環(huán)節(jié)中，金剛石表面特性特殊，普通光刻膠難以均勻附著，易導(dǎo)致圖形失真、線條不均；蝕刻環(huán)節(jié)中，金剛石化學(xué)穩(wěn)定性極強，多數(shù)傳統(tǒng)蝕刻劑效果微弱，難以精準控制蝕刻深度與形狀。

金剛石超硬特性也給加工帶來挑戰(zhàn)。硅與碳化硅拋光片需達到原子級平整（粗糙度 RMS≤0.1nm），而金剛石硬度極高，普通磨削工具磨損快，即便使用金剛石砂輪，仍存在效率低、易產(chǎn)生熱損傷等問題，難以滿足 “襯底級” 表面質(zhì)量要求。