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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。

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