今年 3 月，新疆潤(rùn)晶科技有限公司投資建設(shè)的金剛石生產(chǎn)線在哈密高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)南部循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園迎來(lái)首批產(chǎn)品下線。這一具有里程碑意義的事件，不僅標(biāo)志著新疆首條金剛石生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，更拉開了我國(guó)新疆地區(qū)乃至整個(gè)西部地區(qū)金剛石產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的大幕。

       1、被稱為終極半導(dǎo)體的金剛石

       長(zhǎng)期以來(lái)，金剛石因其審美價(jià)值而受到重視。但如今，在氮化鎵和碳化硅之后，金剛石作為一種新型半導(dǎo)體材料闖入了大家的視線當(dāng)中，并引發(fā)了研究人員和行業(yè)專家的關(guān)注。

       金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶（5.45eV）、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（10MV/cm）、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率（22 W/cmK）等材料特性，遠(yuǎn)超第三代半導(dǎo)體材料 GaN 和 SiC。并且它還擁有優(yōu)異的器件品質(zhì)因子（Johnson、Keyes、Baliga），采用金剛石襯底能夠研制出適用于高溫、高頻、大功率以及抗輻照環(huán)境的電子器件，有效克服傳統(tǒng)器件面臨的 “自熱效應(yīng)” 和 “雪崩擊穿” 等技術(shù)難題，在 5G/6G 通信、微波 / 毫米波集成電路、探測(cè)與傳感等前沿領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

       值得一提的是，金剛石具有高達(dá) 80meV 的激子束縛能，這使其在室溫下就能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的自由激子發(fā)射，發(fā)光波長(zhǎng)約為 235nm。這一特性讓它在制備大功率深紫外發(fā)光二極管方面極具潛力，同時(shí)在極紫外深紫外和高能粒子探測(cè)器的研制中也占據(jù)重要地位。

       使用金剛石電子器件優(yōu)勢(shì)明顯，它不僅能夠大幅減輕傳統(tǒng)半導(dǎo)體的熱管理壓力，而且能源利用效率更高，還能承受更高的擊穿電壓，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

       例如，在電動(dòng)汽車中，基于金剛石的功率電子器件可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換、延長(zhǎng)電池壽命以及縮短充電時(shí)間；在電信領(lǐng)域，尤其是在5G及更高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)的部署中，對(duì)高頻和高功率器件的需求日益增長(zhǎng)。單晶金剛石基板提供了必要的熱管理和頻率性能，支持下一代通信系統(tǒng)，包括射頻開關(guān)、放大器和發(fā)射器；消費(fèi)電子領(lǐng)域，單晶金剛石基板可以推動(dòng)更小、更快、更高效的智能手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備組件的開發(fā)，從而帶來(lái)新的產(chǎn)品創(chuàng)新并提高消費(fèi)電子市場(chǎng)的整體性能。

       在特性優(yōu)勢(shì)和廣闊應(yīng)用前景驅(qū)動(dòng)下，金剛石在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)都展現(xiàn)出巨大的潛力和價(jià)值。從熱沉、封裝到微納加工，再到 BDD 電極及量子科技應(yīng)用，金剛石正穩(wěn)步滲透到半導(dǎo)體行業(yè)的各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，成為推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要力量。

       2、金剛石產(chǎn)業(yè)化近在眉睫

       當(dāng)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(cè)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)。高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石材料的制備、摻雜、加工以及器件工藝等方面的科學(xué)和技術(shù)問題尚未得到徹底解決。金剛石導(dǎo)電性能差且難以有效調(diào)控，晶片尺寸較小，這些問題嚴(yán)重制約了其半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。此外，金剛石半導(dǎo)體電子器件的關(guān)鍵技術(shù)尚未取得實(shí)質(zhì)性突破，應(yīng)用市場(chǎng)也有待進(jìn)一步開拓。

       電子級(jí)金剛石產(chǎn)業(yè)化面臨著諸多亟待攻克的難題：首先，在金剛石半導(dǎo)體級(jí)材料生長(zhǎng)設(shè)備方面，需要構(gòu)建新型多目標(biāo)微波諧振腔優(yōu)化方法，針對(duì)大尺寸、高均勻度及高等離子體密度對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，確保在大尺寸條件下實(shí)現(xiàn)高速、高品質(zhì)的生長(zhǎng)；其次，實(shí)現(xiàn)金剛石的高效體摻雜激活以及室溫高性能 pn 結(jié)，仍然是全球范圍內(nèi)尚未解決的難題；再者，金剛石屬于超硬材料，要使其達(dá)到硅或碳化硅拋光片的面型和粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，滿足“襯底級(jí)” 要求，金剛石的磨削加工技術(shù)還有待大力突破。氫終端金剛石雖已完成微波單片集成電路（MMIC）功能驗(yàn)證，但存在遷移率低和穩(wěn)定性不足的問題；硅終端金剛石憑借更高的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性展現(xiàn)出更大的商用潛力，然而其復(fù)雜的工藝目前仍處于研究初期。

       大尺寸的金剛石襯底材料較為稀缺，雖然可以通過異質(zhì)外延襯底、襯底拼接等方法獲取大尺寸外延材料，但內(nèi)部缺陷較多。例如，目前 4 - 8 英寸的金剛石異質(zhì)外延晶圓位錯(cuò)密度接近 10?cm?2 ，這對(duì)器件的性能和良品率產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。此外，金剛石半導(dǎo)體的制備成本居高不下，與硅相比差距較大，這在很大程度上限制了其在大規(guī)模商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。不過，令人振奮的是，相關(guān)研究在近期取得了重大進(jìn)展。

       2024 年 12 月 19 日，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地研發(fā)出能規(guī)?；a(chǎn)大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜的新技術(shù)。這一突破對(duì)于金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用意義非凡，大尺寸、超光滑柔性金剛石薄膜可應(yīng)用于柔性電子器件、高功率射頻器件等多個(gè)領(lǐng)域，極大地拓展了金剛石的應(yīng)用范圍。

       與此同時(shí)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在高溫高壓條件下發(fā)現(xiàn)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并首次成功合成出高質(zhì)量六方金剛石塊材。研究發(fā)現(xiàn)，六方金剛石具有比立方金剛石更高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性。這一成果不僅為純相六方金剛石的人工合成提供了有效途徑，有力證明了其獨(dú)立存在，還為超硬材料和新型碳材料家族增添了一位性能卓越的新成員，為突破立方金剛石的應(yīng)用局限帶來(lái)了新的可能。

       高效摻雜同樣是金剛石半導(dǎo)體材料面臨的一大挑戰(zhàn)。在 CMOS 集成電路制造過程中，如同傳統(tǒng)硅電子器件一樣，需要 p 型和 n 型通道 MOSFET。

       日本國(guó)立材料研究所（NIMS）的一個(gè)研究小組開發(fā)出了世界上第一個(gè)n 通道金剛石 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。這一突破標(biāo)志著實(shí)現(xiàn)基于金剛石的 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路邁出了重要一步，使其能夠在極端環(huán)境中使用，并推動(dòng)了基于金剛石的電力電子的發(fā)展。該國(guó)立材料科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種技術(shù)，通過在金剛石中摻雜低濃度的磷，在原子水平上生長(zhǎng)出具有光滑平坦梯級(jí)的高質(zhì)量單晶n型金剛石半導(dǎo)體。利用該技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)在世界上首次成功制造出n溝道金剛石MOSFET。

       此外，有專家預(yù)測(cè)，未來(lái)3—5 年 4 英寸金剛石襯底有望實(shí)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。

       隨著各項(xiàng)技術(shù)不斷取得突破，金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化已迫在眉睫。

       我國(guó)在這一領(lǐng)域也不甘落后。西安交大寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究中心實(shí)現(xiàn)了2英寸金剛石的產(chǎn)業(yè)化。在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了2英寸單晶金剛石的制備技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，目前的指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于國(guó)外最好水平，生產(chǎn)的單晶金剛石材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)5g通訊，為高頻、 大功率探測(cè)企業(yè)提供了核心材料與技術(shù)支撐。近年來(lái)，西安交大研究團(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，還成功實(shí)現(xiàn)2英寸異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化。

       3、西部金剛石產(chǎn)業(yè)布局

       隨著技術(shù)逐漸突破，各地紛紛加快布局金剛石相關(guān)項(xiàng)目，尤其是電子級(jí)金剛石項(xiàng)目。在新疆等西部地區(qū)，相關(guān)項(xiàng)目呈現(xiàn)出密集上馬的態(tài)勢(shì)。

       3 月 3 日，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師北屯市與北京卓融和遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司正式簽署半導(dǎo)體材料項(xiàng)目合作協(xié)議。該項(xiàng)目總投資 40 億元，將落戶北屯經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，專注于第三代半導(dǎo)體新材料的研發(fā)與生產(chǎn)，重點(diǎn)發(fā)展金剛石、碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體材料。

       3 月 4 日，新疆潤(rùn)晶科技有限公司投資建設(shè)的金剛石生產(chǎn)線首批產(chǎn)品下線，成為新疆首條投產(chǎn)的金剛石生產(chǎn)線。按照規(guī)劃，該項(xiàng)目產(chǎn)能將達(dá)到 10 億克拉（即 200 噸）。目前，該公司正聯(lián)合地方政府規(guī)劃建設(shè)占地 500 畝的金剛石產(chǎn)業(yè)園，已吸引 12 家上下游企業(yè)達(dá)成入駐意向，涵蓋設(shè)備制造、精密加工等配套環(huán)節(jié)。計(jì)劃在三年內(nèi)打造從原材料到終端產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)哈密新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破 50 億元。

       3月18日，新疆碳基芯材科技有限公司總投資超20億元的年產(chǎn)150萬(wàn)克拉金剛石項(xiàng)目簽約落地，以“硬科技+綠動(dòng)能”雙輪驅(qū)動(dòng)，劍指國(guó)內(nèi)高端工業(yè)金剛石35%市場(chǎng)份額，年產(chǎn)值預(yù)計(jì)突破12億元。該項(xiàng)目采用全球領(lǐng)先的MPCVD-Ⅲ型智能沉積系統(tǒng)，單爐生長(zhǎng)速率高達(dá)30μm/h，較傳統(tǒng)工藝提升5倍。這一技術(shù)突破直接指向電子級(jí)金剛石的核心痛點(diǎn)——生長(zhǎng)效率與純度。目前，項(xiàng)目一期規(guī)劃建設(shè)20臺(tái)工業(yè)級(jí)沉積設(shè)備，年產(chǎn)50萬(wàn)克拉純度達(dá)99.999%（5N級(jí)）的電子級(jí)金剛石，并重點(diǎn)攻關(guān)8英寸單晶襯底技術(shù)，為半導(dǎo)體領(lǐng)域提供“終極襯底”材料。項(xiàng)目二期將開發(fā)金剛石量子傳感器，應(yīng)用于北斗導(dǎo)航芯片抗輻射封裝。金剛石中氮空位（NV色心）的量子特性，可大幅提升導(dǎo)航系統(tǒng)在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。項(xiàng)目三期將聯(lián)合中科院破局功率器件，建設(shè)金剛石基GaN功率器件中試線，解決5G基站、新能源汽車等領(lǐng)域的高頻高壓器件散熱難題。

       4月9日，總投資4.7億元的新疆臻星新材料科技有限公司木壘12.55萬(wàn)克拉人造金剛石項(xiàng)目正式開工建設(shè)。此項(xiàng)目占地60畝，采用國(guó)際領(lǐng)先的化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)。該技術(shù)憑借高效、環(huán)保、低成本以及能夠生產(chǎn)大尺寸產(chǎn)品的突出優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)大尺寸、高純度金剛石單晶的大規(guī)模量產(chǎn)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量更是達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)。據(jù)了解，該項(xiàng)目建設(shè)周期預(yù)計(jì)6個(gè)月，2025年10月竣工。項(xiàng)目建成后，一期預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年利潤(rùn)總額1億元。產(chǎn)品主要聚焦于高精度機(jī)械加工工具、半導(dǎo)體熱沉片、航空航等核心材料領(lǐng)域，深度融入新能源汽車、芯片制造、國(guó)防軍工等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。

       此外，還有一批相關(guān)項(xiàng)目正在審批中。新疆之所以密集布局金剛石相關(guān)項(xiàng)目，主要在于產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)，包括石油鉆探、西電東送等。

       目前新疆新能源產(chǎn)業(yè)體系已構(gòu)建成型，綠色能源正源源不斷地向外輸出，而這有賴于超高壓輸電。而金剛石半導(dǎo)體憑借超寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率等材料特性，能提供比第三代半導(dǎo)體更優(yōu)異的解決方案。

       此外，在石油鉆探領(lǐng)域需要超硬材料作為鉆頭。而金剛石可以用于各類鉆頭的涂塑，增加鉆頭的硬度。以金剛石成品生產(chǎn)為牽引，可以形成包括石墨開采、刀具加工、金剛石和鉆石加工在內(nèi)的全行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。而且金剛石還可以用于制造量子傳感器，在石油勘探過程中，量子重力儀和磁力儀（一種量子傳感器的應(yīng)用）可用于高精度地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，提高石油勘探的準(zhǔn)確性和效率，降低勘探成本。