全球最大单晶金刚石衬底问世，半导体行业再迎重大突破！

全球最大单晶金刚石衬底问世，半导体行业再迎重大突破！

2月13日，日本EDP公司宣布成功研制出全球最大尺寸的单晶金刚石衬底，尺寸达到了32×31.5mm。这一突破标志着金刚石材料在半导体、光学和热管理等领域的应用迈入了新阶段。

大尺寸单晶金刚石衬底（32x31.5mm）。图源：EDP

金刚石因其卓越的物理特性被誉为“终极半导体材料”，相较于传统硅材料，金刚石的热导率高达2200 W/m·K，几乎是硅的五倍，使其在高功率、高频电子器件中拥有更出色的散热性能。此外，金刚石的禁带宽度达到5.5 eV，远超碳化硅和氮化镓，使其在高电压环境下仍能稳定工作，并减少能量损耗。但受限于材料合成和加工技术，制备大尺寸单晶金刚石一直是行业难题。

全球竞逐金刚石衬底

然而，随着技术的不断进步，越来越多的科研团队和企业投入到大尺寸金刚石工件的研发领域，取得了显著进展。2024年初，西安交通大学王宏兴教授团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底的量产，填补了国内在大尺寸金刚石衬底产业化领域的空白。团队还通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。据了解，该团队生产的单晶金刚石器件已经广泛应用于我国5G通讯、高频大功率探测装置产品中。

2英寸异质外延单晶金刚石。图源：西安交通大学王宏兴教授团队

中国科学院半导体研究所金鹏团队在大尺寸金刚石单晶异质外延生长方面也取得了显著进展。研究团队采用铱（Ir）复合衬底结合偏压增强成核技术，成功在异质衬底上生长出高质量的金刚石薄膜，为解决金刚石与衬底之间的晶格失配和热膨胀系数差异问题提供了新的思路，有助于提高金刚石外延层的质量和稳定性。

2英寸自支撑金刚石单晶。图源：中国科学院半导体研究所金鹏团队

在国际上，多家企业也在积极推进大尺寸金刚石衬底的研发和产业化。例如，日本住友电工和美国的Element Six公司都在投入大量资源，致力于开发高质量的大尺寸单晶金刚石衬底，以满足半导体行业对新型材料的需求。随着这些技术的不断成熟，单晶金刚石的产业化进程将加速，未来有望成为高功率电子器件、光学窗口以及热门管理领域的关键材料。

金刚石衬底的应用狂潮

半导体器件的新材料选择。单晶金刚石具备极宽的禁带和出色的电子迁移率，使其成为高功率半导体器件的理想材料。例如，在微波功率放大器和高频开关器件中，金刚石晶体能够提供更高的功率密度和更低的热损耗。随着EDP的大尺寸衬底突破，金刚石晶体在功率电子行业的应用有望加速。

光学窗口的性能跃升。由于其极高的光学透明度和抗辐射能力，金刚石材料被广泛用于红外光学窗口和高功率激光系统。大尺寸单晶金刚石的出现意味着光学窗口可以具备更优异的均匀性和抗损伤能力，从而提高系统性能。

热管理领域的革命性材料。单晶金刚石是目前已知材料中热导率最高的材料，其导热能力远超铜和碳化硅（SiC）。随着高功率电子器件的发展，金刚石衬底作为热沉将成为提升器件可靠性和降低温度的重要方案。大尺寸衬底的量产能够有效降低生产成本，使其成为未来电子器件散热管理的关键材料。

未来蓝图

根据EDP公布的未来发展计划，公司计划在2025年4月底前推出1英寸（25mm直径）的金刚石晶圆，并将在2025年底前通过拼接4块单晶的方式，研发2英寸（50mm直径）的马赛克晶圆。目标一旦实现，将推动金刚石半导体材料进入更大规模的商业化生产。

此外，EDP还设立了更长远的发展目标：在未来2-3年内，将单晶尺寸提升至50×50mm，最终实现2英寸单晶衬底；如果突破50×50毫米的单晶生长技术，则可通过拼接4块单晶，生产4英寸（100mm直径）的马赛克晶圆。这一产品将是大规模金刚石器件量产的关键材料；进一步优化金刚石晶圆的表面质量，包括降低表面粗糙度、提高结晶完整性，以满足半导体制造设备的标准要求。

EDP此次成功研制出全球最大尺寸的单晶金刚石衬底，不仅标志着金刚石材料技术的突破，也为其在高功率电子、光学和热管理领域的应用奠定了坚实基础。随着市场需求的不断增长和行业竞争的加剧，大尺寸单晶金刚石衬底的研发和产业化进程将进一步加快。未来，随着单晶尺寸的进一步提升和成本的降低，金刚石材料有望成为下一代半导体和电子器件制造的核心材料，推动整个行业迈向新的发展阶段。

本文原文来自360doc