当前宽禁带(WBG)功率器件领域的竞争格局：氮化镓(GaN)与碳化硅(SIC)

无论是III-IV族还是IV-IV族化合物宽禁带半导体，如SiC和GaN，在功率器件和高频无线集成电路领域都稳步获得了应用，正在取代高性价比、可扩展的硅制造技术。这些技术的优势在于，它们能够在比硅高得多的电压、频率和温度下工作。尽管SiC和GaN在整体上可能尚未完全匹配硅(IGBT和超级结器件)的价格水平，但在可制造性、可扩展性、良率和长期可靠性方面已取得重大进展。

GaN

这一点在硅基氮化镓(GaN-on-Si)上尤为明显，它利用了现有的硅基础设施，使工厂能够使用更大直径的产线，这些产线每周已经生产数千片8英寸晶圆，并且得益于CMOS工艺控制，拥有出色的产线良率。GaN技术的另一个好处是其单片集成或片上系统集成能力，包括控制、传感和驱动电路，这极大地减小了系统尺寸和成本，同时消除了导致开关不稳定的主要原因——寄生电感。一些公司已经开始转向300毫米(12英寸)硅基GaN晶圆，这可以使芯片密度提高一倍以上，从而降低这种宽禁带半导体的成本。虽然标准的横向GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)主导着40V至650V的电压范围，但正在取得进展以推向更高电压，例如采用垂直GaN(vGaN)结构。

SiC

SiC在600V至3.3kV的更高电压范围内仍占主导地位。然而，SiC晶锭的生长只能在1800至2600°C的温度下进行，并且速度明显比硅慢，有时需要几周时间才能生产出来(而硅锭只需72小时)。切片方法也必须适应坚硬的SiC衬底;切片直径相同的晶锭所需时间是硅的10到20倍。尽管如此，SiC场效应晶体管的热导率无可否认，是GaN的两倍多，这使得功率器件能够实现更高的阻断电压。在200毫米(8英寸)SiC的大规模生产方面已经取得重大进展，并且正在向300毫米SiC平台迈进。

进入超宽禁带(UWBG)领域，更具体地说，金刚石

在此期间，超宽禁带(UWBG)技术也在不断发展，氮化铝(AlN)、立方氮化硼(c-BN)、氧化镓(Ga2O3)和合成金刚石等领域都取得了进展。这些半导体>4 eV的禁带宽度使其在功率器件和射频应用中都更具吸引力;然而，它们大多仍处于研究和开发阶段。

如表1所示，其高电子迁移率、临界电场和热传导性，使其在巴利加优值(BFOM，高频电路中工作的功率器件的关键优值)方面排名靠前。

表1

金刚石可以生长为单晶金刚石(SCD)晶圆，也可以生长为多晶金刚石晶圆。这些金刚石晶圆通常采用高压高温(HPHT)制造技术生产，以模拟金刚石的自然形成条件。

业界许多人将金刚石衬底视为SiC在高温、高功率环境下的竞争对手，可用于工业、可再生能源、汽车和数据中心应用中的高电压/电流开关。然而，要达到SiC在电力电子领域的技术成熟度，它还有很长的路要走。

缺陷少得多、纯度高的SCD为量子光学和电子学提供了更有利的机械、光学和电学特性。然而，多晶CVD金刚石也可以被加工成光学级或电子级;但这需要控制杂质和晶界。尽管如此，SCD的大块生长要困难得多。目前，金刚石面临的主要障碍是尽量减少不均匀性，如缺陷密度(尺寸达10 mm时，密度为10^3至10^6 cm^-2)、杂质和位错，同时还要增大晶圆尺寸。

马赛克晶圆是制造SCD晶圆的一种技术。这是一种同质外延技术，即在同一颗金刚石籽晶上生长厚的CVD层或SCD片(图1)。此外还有异质外延生长方法，即将金刚石沉积在其他材料(如镀铱的蓝宝石)表面，然后剥离形成SCD晶圆。这些工艺通常使用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)，通过等离子体反应器来生长金刚石薄膜。

图1

在生长速度缓慢的背景下，可靠地达到4英寸里程碑一直是该行业持续面临的挑战。这是一个关键的检查点，因为它能够实现大规模生产，使其成为许多新兴金刚石半导体公司的目标。

随着金刚石代工厂努力大规模制造光学级和电子级金刚石，其初始应用通常集中在热管理、电极材料和切削工具领域。合成金刚石近年来取得了显著进展，最近几家初创公司就证明了这一点。

金刚石半导体行业现状

成立于2012年的Diamond Foundry已于2023年制造出首片100毫米(4英寸)单晶金刚石(SCD)晶圆，并于2025年底在西班牙特鲁希略增加了一座价值27.7亿美元的毛坯金刚石制造厂，使用其第十代、80英尺长的集群等离子体反应器、马赛克融合技术和晶圆切割技术。该公司尚未就其在这三个主要领域的进展发布太多信息。

成立于2019年的Diamfab制定了路线图，计划到2026年开发用于大规模生产的4英寸金刚石晶圆;然而，该路线图中的具体里程碑并未公开。该公司从甲烷中获取金刚石，为绿色半导体生产和脱碳提供了一条途径，将甲烷裂解为固体碳原子。这必须在高温(约600°C至1200°C)下进行，通常需要使用镍或碳等催化剂，在衬底(如Si、钨、SiC等)上通过MPCVD形成金刚石，通常使用等离子体反应器。

戴比尔斯集团旗下的Element Six公司专注于用于高功率电子、射频和光电子热管理的宽达10×10 mm的SCD衬底。他们还拥有各种等级的多晶CVD金刚石晶圆，直径可达140毫米。

Orbray集团(前身为Adamant Namiki Precision Jewel Co.)是一家日本精密元件制造商，生产高纯度2英寸SCD晶圆，并积极向4英寸能力迈进。他们选择专注于异质外延生长，使用其"台阶流生长"工艺在镀铱的蓝宝石衬底上横向生长金刚石晶体(图2)。该工艺旨在减少生长过程中可能导致裂纹的应力累积。

图2

成立于2010年的美国初创公司Advent Diamond于2016年开始将其专有的单晶磷掺杂金刚石生长方法商业化，并专注于针对特定衬底材料进一步开发该方法。选择磷是因为它是金刚石唯一的浅能级n型掺杂剂;该公司提供具有n型、p型和本征层的SCD晶圆，可根据应用定制。

Akhan半导体：硅基金刚石

除了竞相生长4英寸SCD晶圆的竞赛之外，Akhan半导体提供了另一种方法，更侧重于在硅上生长多晶金刚石。这家由Adam Khan领导的公司成立于2010年，一直致力于硅基金刚石集成技术，并于2021年展示了其突破性的300毫米CMOS晶圆，采用了其Miraj Diamond平台。他们的技术在低温下在硅衬底上生长一层薄薄的金刚石，从而与现有生产线兼容。去年，Diamond Technologies(DTI)收购了Akhan的资产组合，其中包括金刚石薄膜的专利。

Diamond Quanta："让金刚石像硅一样易得"

然而，Adam Khan此后转向了他的新初创公司Diamond Quanta(成立于2024年)，该公司更加专注于与CMOS工艺兼容的低温金刚石合成技术。Power Electronics News(PEN)在2026年国际消费电子展(CES)的Diamond Quanta展台上采访了Adam Khan。

"第一步是创建一个在足够低的温度下与CMOS兼容的硅基金刚石平台。我们可以做晶圆到晶圆(W2W)和芯片到晶圆(C2W)的键合，"Adam Khan说。顾名思义，W2W键合将两个晶圆精确对准结合在一起。这种应用常见于先进器件中，用于堆叠存储器和逻辑等功能，当与3D互连技术结合时，是一种多芯片异质集成解决方案。同样，C2W键合实现了3D堆叠，克服了2D缩放限制，减小了解决方案的占用空间并增强了数据传输能力。

"300毫米平台的首次亮相是我们与ExtenD Corporation合作的成果。我们在他们一流的HFCVD[热丝化学气相沉积]系统上运行我们的工艺，该系统由Heller Industries集成，"Khan说(图3)。Diamond Quanta与专注于人工智能和金刚石电子学的日本公司ExtenD Corporation之间的合作于去年宣布，使这家初创公司能够使用ExtenD的大面积HFCVD引擎实现更大规模的金刚石光学器件生产。

图3

HFCVD提供成本更低、面积更大的沉积，生长速率远高于MPCVD。MPCVD反应器已成为制造高纯度SCD晶圆的首选，而HFCVD则用于在衬底(例如Si)上生长织构化金刚石薄膜。

"第二部分是致密化，因为金刚石非常粗糙，即使是多晶金刚石也是如此，所以通过致密化，我们使其变得光滑，从而能够直接进行键合集成，"Khan说。这项技术与劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同开发，并在论文"通过亚熔融纳秒脉冲激光诱导金刚石致密化降低位错缺陷水平"中有详细说明。

Khan解释说，低温金刚石合成和激光堆叠技术的结合使得他们的路线图在实现大面积光子学和微电子学方面变得可行："现在我们可以在行业标准材料上沉积金刚石，并通过致密化结构使其光滑。"

Diamond Quanta目前正与代工厂合作，将其热管理产品(如热界面材料)集成到现有工艺中，并在其上应用其n型和p型合成金刚石材料的共掺杂工艺。"我们的想法是采用与工业标准相同的尺寸来制造金刚石，因此从被动或热管理应用开始，然后转向集成异质结构，最终以金刚石器件结束，让金刚石像硅一样易得。"

目前，他们正在使用Heller Industries的多腔室配置设备，该设备将许多制造工具集群在一起。据Khan称，这使得他们的制造成本比SiC和GaN更低，因为他们的技术是在低温下使用标准CVD技术在氧化物和其他衬底材料上生长金刚石，"它由甲烷前驱体制成，所以我们不处理像镓这样的关键矿物。"

该公司已经开始对一些功率器件原型进行初步测试。在描述其金刚石基PIN二极管的测试时(图4)，Khan表示："SiC的性能也在300°C左右开始下降;而我们的器件在400°C到600°C范围内运行性能没有下降。"

图4

AR显示光学器件：通往半导体的垫脚石

CES 2026上的新闻是Diamond Quanta的Adamantine光学材料：一种光学透明、高导热性的金刚石材料，可集成到增强现实(AR)多层堆叠玻璃显示器中。"这里的想法是将金刚石的硬度和耐刮擦性带入堆叠层，保持高光学质量，同时减少破损和磨损。"

他们在CES Eureka Park的展示包括一个康宁现场刮擦测试演示，使用线性磨损测试仪模拟现实世界中的跌落情况，例如手机跌落到坚硬的沥青路面(图5)。测试分别应用于未涂层玻璃和华为Pura 80智能手机上的金刚石玻璃。

图5

使用3D激光轮廓仪评估刮痕深度，结果显示金刚石玻璃上没有任何刮痕(图6)。"当然，这是我们的首发产品，但它支撑了我们路线图的其余部分，"Khan在谈及该产品的商业可行性时说，"如果你花1000美元买一部智能手机，你就不应该再需要额外的屏幕保护膜。"

图6

Diamond Quanta的路线图

更直接的半导体应用不仅包括将他们的金刚石技术用于显示器和热界面材料，还包括金刚石中介层。"玻璃已经进入中介层技术和封装堆叠，但在其上添加金刚石不仅能使热梯度均匀化，还能使其更加平整，"Khan说。

在介绍Diamond Quanta的路线图时，Khan解释说："金刚石玻璃产品将于今年推出，技术转移在2027年，2028年进入市场。" 同样，在消费端，Diamond Quanta从他们的热管理产品开始，"我们预计它们将在三年内上市，"Khan说。

除此之外，Diamond Quanta正在积极探索于2027年开发掺杂异质结构原型，目标是在2030年前实现商业化、工厂转移和产品发布，在5年内开发出有源金刚石功率器件。