不可否認，第四代半導體金剛石，已初露鋒芒！

金剛石功率半導體，憑借其*的性能，被行業寄予厚望，即將改變從電動汽車到發電站等各個行業。

日經亞洲的一份報告稱，使用巴利加品質因數來衡量金剛石功率半導體的性能，金剛石的性能是碳化硅的 80 倍，是氮化鎵的 10 倍以上。更高的巴利加品質因數得分表明該材料能夠顯著降低功率損耗。

金剛石vs硅基，電力損耗僅1/50000，賽道火熱

日前，外網發布，日本在功率半導體中使用合成金剛石方面取得了重大進展，其電氣強度是硅的 33 倍，熱耐受性是硅的 5 倍。日本在金剛石半導體技術方面的重大進步為其商業化鋪平了道路，并有望在未來實現這些半導體比硅器件多 50,000 倍的電力。

據了解，這些新型半導體由人造金剛石制成，金剛石因其超強的熱導率和電氣強度而被稱為“*半導體材料”。

在過去幾年間，行業正在不斷追求更高效、更強大的半導體，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等半導體材料的出現與發展，讓行業突破了硅的限制，開發出更高效、更可持續的技術，如今這些材料在可再生能源系統、電動汽車和其他減少碳排放的技術中發揮著關鍵作用。

而在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石也就是鉆石，作為一種新半導體材料闖入了大家的視線當中，并引發了研究人員和行業專家的關注。

目前，第四代半導體，這一概念雖尚未被大眾所熟知，但卻已在學術界和產業界引起了廣泛的關注和熱議。與前三代半導體相比，第四代半導體不僅在材料種類上實現突破，更在性能上實現質的飛躍，以獨特的物理和化學性質，為解決當前半導體技術面臨的諸多挑戰提供全新的思路和解決方案。

其中，金剛石非常適合用于為半導體供電，因為作為絕緣體，金剛石的電氣強度比硅高出約 33 倍。金剛石半導體可處理比傳統硅器件高達 50,000 倍的電能，使其成為電動汽車和航空航天等高需求應用的理想選擇。

基于業界長期的研發活動，如今金剛石半導體已經開始逐步邁向實用化。隨著業界對金剛石半導體的關注程度越高，其優勢資源匯集、研發速度加速擴張，其產業化的進程越來越近。目前，以金剛石晶圓為標志的新一輪國際科技競賽已打響，國際上相繼布局。日本、歐洲、美國、中國*為代表性！

日本Orbray株式會社、日本早稻田大學旗下PDS公司、美國Diamond Foundry、英國元素六、法國Diamfab、中國華為、哈工大、寧波材料所、北科大、西交大等單位已有初步成果，這意味著鉆石晶圓時代的開始。

日本研發，使金剛石半導體更接近現實？

早期，在1980年一一2000年期間，日本無機材質研究所（如今的“NIMS”）、日本產業技術綜合研究所（以下簡稱為：“產總研”）創造了諸多成果，如結晶合成法、制作了p型半導體、n型半導體等。尤其是日本產綜研的研發內容一應俱全，如金剛石結晶的生長、晶圓的制造、二極管和晶體管等元件的研發，即使是今天，產綜研的研發水平也是首屈一指。不過，這些研發活動都是僅限于實驗室內的驗證工作，并且并未研發出可用于電子線路、設備的實際半導體。

盡管人們對金剛石在半導體中的應用的研究已有 30 多年，遇到了多重障礙，但這幾年，日本研究人員在半導體技術方面取得了令人矚目的飛躍，以大學研發主導，結合企業產業化實驗方式，布局動作發布尤其頻繁，其官方對外發布有望在金剛石半導體領域取得重大進展，并有可能在 2025 年至 2030 年之間實現實際應用。

以下幾個機構在日本金剛石半導體產業化道路上*為典型。

1、佐賀大學&Orbray

佐賀大學一直處于這項創新的前沿，于2023 年開發出世界上*個由金剛石半導體制成的功率器件?。這一突破是與日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 合作實現的，重點是用于太空通信的高頻元件。這項技術的影響不僅限于地面應用，還可能提高太空探索設備的可靠性和性能。

太空應用對高頻元件的重視表明了金剛石在極端環境下改善信號完整性的潛力。JAXA 與佐賀大學在這些項目上的合作凸顯了金剛石半導體的吸引力，不僅因為它們的耐用性，還因為它們能夠使衛星和航天器系統實現更高效的電源管理，這是可靠性至關重要的太空探索任務中的關鍵因素。

此外，總部位于東京的 Orbray ，在過去的幾年里，積極布局金剛石芯及相關應用，率先開發了一種獨特的異質外延工藝，在經濟高效的藍寶石襯底上生長單晶金剛石，并取得了一系列里程碑結果。

2021年，宣布與與佐賀大學合作，采用專有的階梯流生長方法，開發出直徑為2英寸的高品質金剛石晶圓（產品名稱：KENZAN Diamond?）。

隨后，Orbray改進了其生產方法，通過盡量減少晶體生長過程中的氮污染，2022年4月開發了直徑為2英寸的超純金剛石晶片的大規模量產技術，氮氣濃度為3 ppb或更低（ppb=十億分之一），幾乎消除了晶體生長過程中的氮污染，從而實現了超高純度。

2022年5月，日本佐賀大學的嘉數誠教授與Orbray公司聯手利用2英寸晶圓，研發出了輸出功率為875MW/cm2（為全球*高）、高壓達2568V的半導體。

2023年5月，Orbray 宣布，與豐田旗下車載半導體研發企業?Mirise Technologies 簽訂協議，共同研發金剛石功率半導體，目標是在2030年代實現商業化。

2024年6月，Orbray與Element SiX（元素六）達成戰略合作，共同生產“全球品質*高的單晶金剛石晶圓”，此次合作再次體現其對工業重視及布局*性。

目前，Orbray已開發出 2 英寸金剛石晶圓的量產技術，并正在朝著?實現 4 英寸基板的目標邁進。這種規模擴大對于滿足?電子行業的商業需求至關重要。該公司也致力于將金剛石半導體整合到主流應用中，其預計在 2030 年代將會出現車載電源設備。

擴張并未止步于此。Orbray 計劃在秋田縣建立新工廠，以提高生產能力，并計劃在 2029 年進行*公開募股。

2、日本早稻田大學&Power Diamond Systems公司

日本早稻田大學，則是另一所產學研代表性大學。

2022年，日本早稻田大學還誕生了一家以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業，Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”），于 2023 年成功開發出一項技術，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，并已與九州工業大學建立了合作伙伴關系。

PDS的目標是構筑一個從材料、芯片，到系統的完整生態系統，以實現該司成為業界“主角”的目標，主要是攻克加強該技術在電力效率應用。

PDS公司金剛石半導體成果先驅，Kawarada教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發了金剛石場效應晶體管（FET），并為業界熟知。2023年12月，早稻田大學Kawarada教授研究小組和Power Diamonds Systems (PDS)宣布開發出一種常關金剛石MOSFET。

3、北海道大學&日本產業技術綜合研究所

與此同時，由北海道大學和日本產業技術綜合研究所（AIST）聯合創辦的創業公司大隈鉆石設備公司（Ookuma Diamond Device）正在福島縣大隈市建設大型量產工廠。該工廠預計將于 2026 財年（2026 年 4 月至 2027 年 3 月）投入運營，旨在將其產品用于福島*核電站的核廢料清除設備。據了解，這些核廢料是2011年福島核事故中反應堆結構和核燃料熔化產生的高放射性殘留物，只有金剛石半導體等耐高輻射的設備才能處理它們。通過將這些設備應用于核廢料清除，Ookuma Diamond Device 等公司展示了金剛石半導體如何在能源和環境領域帶來變革，為傳統材料提供持久的替代品。

這些發展尤其引人注目，因為金剛石半導體以其*的性能和處理極端條件的能力而聞名，這可能會改變各種高需求的電子行業。

此外，日本產業技術綜合研究所也在有效利用其長期積累的“一條龍”式（從結晶生長、晶圓加工，到制成芯片）的技術經驗，以推進芯片的實用化。其目標是利用大面積芯片（Chip）實現現有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時“兩手抓”。

4、產業鏈上其他配套企業

另外，金剛石半導體加速商業化的潛力正在引起相關產業鏈上其他端口企業的關注。

例如，JTEC公司專門為研究機構生產精密設備，并開發了一種用于拋光高硬度材料表面的等離子技術。EDP是日本*一家從事寶石用合成金剛石種子制造和銷售的公司，擁有世界上*大的單晶生產機制。該公司還參與金剛石半導體基板和工具材料的生產。

隨著金剛石半導體技術的進步，合成金剛石的品質和穩定供應越來越重要。住友電工在 20 世紀 80 年代利用工業應用的高品質材料生產出世界上*大的合成金剛石單晶“SumiCrystal”。

不得不承認，日本在金剛石半導體創新領域確實處于*地位，凸顯了全球競相開發先進材料以突破電子設計界限的趨勢。這條賽道上依舊存在許多難題與可能性。

未來，金剛石半導體的廣泛應用將如何影響電動汽車和發電站的效率和性能，金剛石半導體的成功商業化需要克服哪些挑戰，以及日本金剛石半導體的出現將如何影響全球半導體市場動態？

如今，國際上已經有越來越多的單位正在將金剛石半導體從研發階段推向實用化。而中國作為金剛石生產大國，近幾年來更是將材料價格打到了白菜價！

總的來說，金剛石作為未來半導體材料，在這一賽道更是充滿了中國智慧與力量，品質上來說，隨著技術不斷突破，大單晶已不再成為難題。當下，正值功能化應用發展探索新風口，中國能否做到并、領跑？中國，金剛石半導體商業化，還需要多久？