钻石拥有一些极其出色的固有特性，包括超宽带隙(约 5.5 eV)、极高的临界击穿电场(约 10–13 MV/cm)以及 2000–3450 W/m·K 的高热导率。这些物理特性赋予了基于钻石的功率器件理论上的性能上限，其表现优于硅(Si)、碳化硅(SIC)或氮化镓(GaN)，能够实现更高电压操作、更低损耗以及更优的散热能力。

从纯物理角度看，钻石在理论上是功率电子学最适合的半导体材料。然而，半导体产业并非在理论物理的真空中运作，它依赖受晶圆直径、缺陷密度、良率以及每安培成本限制的供应链体系。

钻石能像半导体一样制造吗?

截至 2026 年，业界关注的核心问题是：钻石能否像半导体一样进行规模化制造。从学术机构和研究实验室到工业化半导体衬底的转变，经历了经济和技术上的多重挑战。本文将分析业界在钻石半导体规模化方面的努力。

Element Six(E6)

Element Six(E6)是 De Beers 集团旗下的子公司，已在多种钻石材料的纯度和尺寸上设定了行业标杆。他们率先开发了用于 140 mm 晶圆的均匀多晶化学气相沉积(CVD)大面积工艺，随后实现了电子级单晶钻石的商业化。

E6 钻石分为热管理(用于射频放大器和激光器的散热片)、光学、量子技术及电子等等级。电子级单晶钻石被设计用于辐射探测器，以及作为钻石电子学研究的基底材料。

在晶圆质量方面，E6 的单晶钻石仍以小片形式销售。例如，目前 Thorlabs 提供的单晶钻石为 4×4 mm，氮浓度小于 5 ppb。公司表示计划提升单晶钻石的尺寸。

然而，Element Six 的规模化瓶颈在于器件集成。他们设定了钻石材料的质量上限，但制造半导体器件不仅需要完美晶体。客户在制作 mosfet 时，将面临掺杂或形成 MOS 接口的问题。迄今为止，Element Six 的材料成熟度尚未转化为广泛可用的商业钻石功率晶体管。

Element Six 确立了材料上可实现的极限，但钻石电子学能否规模化进入产业，不仅取决于原材料质量，还取决于基于这些材料的器件制造能否重复且经济可行。

Diamfab

Diamfab 是一家总部位于法国的初创公司，致力于将钻石作为半导体平台。他们关注掺杂钻石晶圆及外延层在功率器件中的应用。目前 Diamfab 的晶圆仍以几平方毫米的小片为主，但关键在于如何封装这些小片。他们提供可用于二极管制造的钻石外延晶圆，这是一种在钻石芯片上精确生长的层结构。

例如，他们的一种标准结构是 4×4 mm 的 <100> 定向钻石，具有两层外延：几微米厚的本征层以及 500 nm 的 p++ 层，用于欧姆接触。这为钻石肖特基二极管或 PIN 二极管奠定了基础。

公司强调掺杂均匀性、表面制备及晶体取向。Diamfab 曾表示希望在 2025 年实现 4 英寸钻石晶圆生长，但尚无公开确认。这显示了其扩大等离子体 CVD 工艺至大面积的承诺。

通过提供 p++ 背层，他们实现了欧姆接触，本征层可承受高场强以用于二极管。Diamfab 还提及目标包括 FET 制造，暗示他们正在开发钻石 MESFET 或 MOSFET 结构。

Diamfab 面临的关键限制是晶圆尺寸和缺陷经济性。现有的 4 mm 小片适合实验，但工业化功率器件需要数百片才能达到单片 SiC 晶圆的面积，考虑良率和边缘损耗，这在经济上不可行。通往更大钻石片的路径尚不明确，即使实现 4 英寸生长，缺陷密度和应力管理仍是未知数。

Diamond Quanta

Diamond Quanta 正在构建面向功率、射频及量子器件的钻石平台，利用其掺杂和制造技术。公司声称已找到有效掺杂钻石(n 型和 p 型)的方法，同时保持晶体质量。

该公司采用共掺杂技术，减少缺陷形成并实现高载流子迁移率。这种将掺杂原子替代晶格位置而非生成补偿缺陷的方法，有望解决钻石 n 型掺杂问题。

Diamond Quanta 报告称已实现高迁移率的 n 型和 p 型载流子传输，表明其钻石器件可作为完整半导体使用，而非仅限于 p 型。

然而，目前没有公开的晶圆规格或产品信息，也未有材料销售的迹象，一切仍处于研发阶段。他们发布的信息重点在于共掺杂能力而非晶圆直径或缺陷密度指标。

SP3 Diamond Technologies

与其他公司不同，SP3 Diamond Technologies 采取了完全不同的方法。该公司不试图用钻石替代现有半导体，而是将钻石集成到现有半导体流程中，以解决实际问题。SP3 的核心理念是将钻石作为高功率密度电子器件(如射频放大器和功率开关)的附加热材料。

其核心产品之一是硅-钻石晶圆(Silicon-on-Diamond)。2009 年，SP3 宣布 2 英寸和 4 英寸晶圆商业化，并已着手 6 英寸扩展。这些复合晶圆由薄层器件级硅与钻石层结合或生长而成。

这些复合晶圆可兼容标准制造工艺。上层为普通硅，可像普通晶圆一样制造晶体管或 IC，下层钻石用于散热。这一集成解决了功率和射频电子学的主要挑战之一。

SP3 宣称其衬底可使器件功率处理能力翻倍，甚至比 SiC 衬底高 50–80%。他们还指出，GaN 外延在其衬底上的质量与传统衬底相当，原则上此方法可扩展至 300 mm 晶圆。

集成到现有系统

笔者认为，钻石首次大规模应用将通过集成到现有系统实现，而非完全替代 Si 或 SiC。实际上，这意味着钻石将作为附加材料，与硅组成复合衬底，用于高频 IC 的利基市场。

成功的方法应尽量减少对现有半导体制造的干扰。SP3 的硅-钻石晶圆就是一个典型例子：晶圆可像普通晶圆使用，背后由钻石提供辅助散热。

尽管稳步进展中，钻石在商业功率市场上与 SiC 或 GaN 晶体管竞争仍至少需要十年时间。掺杂(尤其是 n 型)仍需工业化突破，大面积钻石的缺陷密度必须大幅下降，才能实现与其他半导体可比的良率。

钻石在功率电子领域的应用将会到来，但过程将是渐进的，且多以混合形式出现。