全球鑽石晶片研發加速！研調：2030年前年複合成長率12.3% 亞太地區將主導需求

全球半導體領域正加速研製鑽石晶片，因以矽為主導的半導體領域面臨到高功率密度、高頻、高溫、高輻射等瓶頸，雖然第三代以 GaN 和 SiC 為代表的新半導體材料興起，但散熱與能效等關鍵特性仍是業界追求方向。金剛石 (鑽石原石) 半導體被認為是極具前景的新型半導體材料，被業界譽為「終極半導體材料」。

被譽為「自然界最堅硬物質」的金剛石，不僅硬度驚人，還擁有卓越的導熱性能、極高的電子遷移率，擁有耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等多重優異性能參數，以及其他優異的物理特性。

具體來看，金剛石半導體具有超寬禁帶、高擊穿場強、高載流子飽和漂移速度、高熱導率等材料特性及優異的器件品質因數，採用金剛石襯底可研製高溫、高頻、大功率、抗輻照電子器件，克服器件的「自熱效應」和「雪崩擊穿」等技術瓶頸。

此外，金剛石擁有優異的物理特性，在光學領域具有良好透光性和折射率，適用於光電器件的研發。在電學方面，絕緣性能和介電常數使其在複雜電路中發揮穩定作用，機械性能方面，高強度和耐磨性確保晶片能承受極端工作條件。

這些特性使得金剛石在晶片製造領域展現出巨大潛力，常被用於高功率密度、高頻率電子器件的散熱。在 5G/6G 通信，微波 / 毫米波積體電路、探測與感測等領域發展起到重要作用。

透過使用金剛石電子器件，不僅可減輕傳統半導體的熱管理需求，而且這些設備的能源效率更高，並且可以承受更高的擊穿電壓和惡劣的環境。

根據市場研調機構 Virtuemarket 數據，2023 年全球金剛石半導體基材市場產值為 1.51 億美元，2030 年底將達到 3.42 億美元。在 2024-2030 年的預測複合年成長率為 12.3%，其中在中國、日本和南韓等國家電子和半導體產業不斷增長的需求的推動下，亞太地區料將主導金剛石半導體襯底市場，到 2023 年料將佔全球收入份額的 40% 以上。

因此，在特性優勢和廣闊前景驅動下，金剛石在半導體產業鏈上的多個環節已經展現出巨大的潛力和價值。從熱沉、封裝到微納加工，再到 BDD 電極及量子科技應用，金剛石正逐步滲透到半導體產業的各個關鍵領域，推動技術創新與產業升級。

近日，Element Six 正主導美國一個關鍵專案，也就是開發使用單晶 (SC) 金剛石襯底的超寬頻高功率半導體。該專案是由美國國防高級研究計劃局 (DARPA) 主導的超寬頻隙半導體 (UWBGS) 計畫的一部分，旨在開發下一代面向國防和商業應用的先進半導體技術，突破半導體的性能和效率極限。

此外，目前一家由 MIT、史丹佛大學、普林斯頓大學的工程師創立的企業 Diamond Foundry，在金剛石晶片方面也取得進展。去年 10 月，Diamond Foundry 培養世界上第一個單晶金剛石晶片。Diamond Foundry 目前已可以在反應爐中培育出 4 英寸長寬、小於 3 毫米厚度的鑽石晶圓，而這些晶圓可以和矽晶片一同使用，快速傳導並釋放晶片所產生的熱量。

Diamond Foundry 開發了一套技術，為每個晶片植入鑽石，該公司希望使用單晶金剛石晶圓解決，限制 AI、雲端計算晶片、電動車電力電子器件和無線通信晶元的熱挑戰。

這一方案的優勢在於，可讓晶片的運行速度至少是額定速度的兩倍。Diamond Foundry 工程師表示，在輝達最強大的 AI 晶片之一上使用這種方法，在實驗條件下甚至能將額定速度增加到三倍。

Diamond Foundry 稍早也透露希望能在 2023 年後引入單金剛石晶片，並在每個晶元後面放置一顆金剛石，預計在 2033 年前後，將金剛石引入半導體。