金刚石，是自然界中已知的最坚硬的物质，经过打磨后，化身为钻石，被赋予美好的意义。不仅被用作首饰，钻石还被工业上用于高级的切削和研磨材料。而近年来，关于金刚石涉及芯片制造技术领域的研究成果频出，金刚石以崭新的形象——半导体材料出现，为芯片行业注入了新的活力与希望。

世界上首个大尺寸钻石晶圆

2023年10月，Diamond Foundry创造出了世界上首个大尺寸单晶钻石晶圆（Diamond Wafer）直径100毫米、重110克拉。该公司规划，自2023年起，将在每块芯片上增加一颗单晶钻石以优化散热，如用于制造晶体管或其他半导体元件的基底材料。

半导体常规制备工艺流程需要采用大尺寸单晶金刚石，从图1中可以看出，晶体的微波等离子体化学气相沉积制备、晶圆切割和研磨抛光是单晶金刚石衬底制备过程的关键工序。因此，制备出英寸级的大尺寸单晶金刚石，并高效地剥离切片和研磨抛光，是单晶金刚石作为“终极半导体”能够获得广泛应用的关键。DF公司的技术突破，推动了钻石材料在半导体领域的发展与应用。

图 1半导体单晶金刚石衬底制备工艺流程

"钻石芯片"专利——芯片散热技术新突破

同年11月，华为宣布，由哈尔滨工业大学与其联合申请名为《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》的专利公布。专利文献显示，通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石基衬底材料进行三维集成能够融合硅基半导体器件成熟的工艺及产线、生产效率高、成本较低的优势及金刚石极高的发展潜力，为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。

金刚石为衬底的氮化镓（GaN）晶体管

12月，在材料类期刊Small近期发布的一篇文章里，提到了大阪公立大学研究小组利用金刚石为衬底，制作出了氮化镓（GaN）晶体管。而该晶体管的散热能力，要比传统晶体管提高了2倍以上。这项研究结果表明，GaN/3C-SiC金刚石技术具有彻底改变电力和射频电子学发展的潜力，具有改进的热管理能力。文章表示，这种由晶体管不仅可以用于5G通信基站、气象雷达、卫星通信等领域，还可以用于微波加热、等离子体处理等领域。

热管理在现代电子系统中至关重要，将金刚石与半导体集成是改善散热的最有前途的解决方案。钻石材料在芯片散热方面展现了巨大潜力，尤其在人工智能、云计算、电动汽车等高性能计算领域。它的高热导率能有效分散芯片产生的热量，提高芯片稳定性和寿命。在智能汽车领域，基于钻石的新型逆变器尺寸缩小，性能和效率得到提升。同时，金刚石与GaN的结合使用，将大幅提高无线通信领域的功率密度和设备可靠性。

在查阅相关信息后，可以发现，早在二十年前，科学界就曾掀起研究金刚石半导体的热潮。电子工程师2000年第2期就发布了《金刚石半导体期间的研究与展望》，文中提到各种半导体材料的物理特性对比情况，不难看出，金刚石其优越性是其他半导体材料无法比拟的。

表 1数据来源：《金刚石半导体器件的研究与展望》

自1959年硅晶片应用以来，半导体行业不断突破创新。从硅到碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN），再到氧化镓，芯片的升级往往都伴随着材料的升级，因此，探索更优材料一直是产业发展的重心。金刚石是宽禁带半导体，具备击穿场强高、载流子迁移率高、抗辐照等优点，在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。凭借其无与伦比的特性，钻石晶圆被誉为半导体材料的终极选择。

尽管钻石的应用前景光明，但仍然存在很多的挑战，比如金刚石纯度及尺寸的选择、降低成本和制作工艺等，因而短期内无法形成大规模产业化。不过，我们或许可以从SiC材料的发展历程中得到启示。早期SiC的成本和良率问题确实使得许多产业望而却步，但随着技术进步和产业化进程，其成本逐渐降低，SiC技术的成熟进展速度已经取得令人瞩目的成果。我们相信，在未来，随着制造技术的逐步突破和对钻石材料的深入研究，钻石有望成为电子设备的核心部件。这时候，金刚石就将真正成为半导体行业上“疯狂的石头”。

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