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不可否认，第四代半导体金刚石，已初露锋芒！
金刚石功率半导体，凭借其卓越的性能，被行业寄予厚望，即将改变从电动汽车到发电站等各个行业。
日经亚洲的一份报告称，使用巴利加品质因数来衡量金刚石功率半导体的性能，金刚石的性能是碳化硅的 80 倍，是氮化镓的 10 倍以上。更高的巴利加品质因数得分表明该材料能够显著降低功率损耗。
金刚石vs 硅基，电力损耗仅1/50000，赛道火热
日前，外网发布，日本在功率半导体中使用合成金刚石方面取得了重大进展，其电气强度是硅的 33 倍，热耐受性是硅的 5 倍。日本在金刚石半导体技术方面的重大进步为其商业化铺平了道路，并有望在未来实现这些半导体比硅器件多 50,000 倍的电力。
日本佐贺大学的研究人员利用金刚石半导体制造出了世界上第一个电源电路。（佐贺大学）
据了解，这些新型半导体由人造金刚石制成，金刚石因其超强的热导率和电气强度而被称为“终极半导体材料”。
在过去几年间，行业正在不断追求更高效、更强大的半导体，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等半导体材料的出现与发展，让行业突破了硅的限制，开发出更高效、更可持续的技术，如今这些材料在可再生能源系统、电动汽车和其他减少碳排放的技术中发挥着关键作用。
而在氮化镓和碳化硅之后，金刚石也就是钻石，作为一种新半导体材料闯入了大家的视线当中，并引发了研究人员和行业专家的关注。
目前，第四代半导体，这一概念虽尚未被大众所熟知，但却已在学术界和产业界引起了广泛的关注和热议。与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料种类上实现突破，更在性能上实现质的飞跃，以独特的物理和化学性质，为解决当前半导体技术面临的诸多挑战提供全新的思路和解决方案。
其中，金刚石非常适合用于为半导体供电，因为作为绝缘体，金刚石的电气强度比硅高出约 33 倍。金刚石半导体可处理比传统硅器件高达 50,000 倍的电能，使其成为电动汽车和航空航天等高需求应用的理想选择。
基于业界长期的研发活动，如今金刚石半导体已经开始逐步迈向实用化。随着业界对金刚石半导体的关注程度越高，其优势资源汇集、研发速度加速扩张，其产业化的进程越来越近。目前，以金刚石晶圆为标志的新一轮国际科技竞赛已打响，国际上相继布局。日本、欧洲、美国、中国最为代表性！
日本Orbray株式会社、日本早稻田大学旗下PDS公司、美国Diamond Foundry、英国元素六、法国Diamfab、中国华为、哈工大、宁波材料所、北科大、西交大等单位已有初步成果，这意味着钻石晶圆时代的开始。
日本研发，使金刚石半导体更接近现实？
早期，在1980年一一2000年期间，日本无机材质研究所（如今的“NIMS”）、日本产业技术综合研究所（以下简称为：“产总研”）创造了诸多成果，如结晶合成法、制作了p型半导体、n型半导体等。尤其是日本产综研的研发内容一应俱全，如金刚石结晶的生长、晶圆的制造、二极管和晶体管等元件的研发，即使是今天，产综研的研发水平也是首屈一指。不过，这些研发活动都是仅限于实验室内的验证工作，并且并未研发出可用于电子线路、设备的实际半导体。
尽管人们对金刚石在半导体中的应用的研究已有 30 多年，遇到了多重障碍，但这几年，日本研究人员在半导体技术方面取得了令人瞩目的飞跃，以大学研发主导，结合企业产业化实验方式，布局动作发布尤其频繁，其官方对外发布有望在金刚石半导体领域取得重大进展，并有可能在 2025 年至 2030 年之间实现实际应用。
以下几个机构在日本金刚石半导体产业化道路上最为典型。
1、佐贺大学&Orbray
佐贺大学一直处于这项创新的前沿，于2023 年开发出世界上第一个由金刚石半导体制成的功率器件 。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 合作实现的，重点是用于太空通信的高频元件。这项技术的影响不仅限于地面应用，还可能提高太空探索设备的可靠性和性能。
太空应用对高频元件的重视表明了金刚石在极端环境下改善信号完整性的潜力。JAXA 与佐贺大学在这些项目上的合作凸显了金刚石半导体的吸引力，不仅因为它们的耐用性，还因为它们能够使卫星和航天器系统实现更高效的电源管理，这是可靠性至关重要的太空探索任务中的关键因素。
此外，总部位于东京的 Orbray ，在过去的几年里，积极布局金刚石芯及相关应用，率先开发了一种独特的异质外延工艺，在经济高效的蓝宝石衬底上生长单晶金刚石，并取得了一系列里程碑结果。
2021年，宣布与与佐贺大学合作，采用专有的阶梯流生长方法，开发出直径为2英寸的高品质金刚石晶圆（产品名称：KENZAN Diamond™）。
随着 Orbray 扩大生产能力，业界密切关注金刚石晶片能否在高功率设备中超越硅甚至碳化硅基板。一旦实现 4 英寸金刚石基板的商业化，将解决生产中的一个关键瓶颈，使广泛工业应用的可行性更近一步，并使日本的半导体行业能够在全球范围内树立新的标准。
2、日本早稻田大学&Power Diamond Systems公司
日本早稻田大学，则是另一所产学研代表性大学。
2022年，日本早稻田大学还诞生了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业，Power Diamond Systems（简称为：“PDS”），于 2023 年成功开发出一项技术，以提高金刚石功率器件的载流能力。该公司计划在未来几年推出样品，并已与九州工业大学建立了合作伙伴关系。PDS的目标是构筑一个从材料、芯片，到系统的完整生态系统，以实现该司成为业界“主角”的目标，主要是攻克加强该技术在电力效率应用。
PDS公司金刚石半导体成果先驱，Kawarada教授曾利用金刚石半导体的基础技术（氢终端表面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。2023年12月，早稻田大学Kawarada教授研究小组和Power Diamonds Systems (PDS)宣布开发出一种常关金刚石MOSFET。
3、北海道大学&日本产业技术综合研究所
与此同时，由北海道大学和日本产业技术综合研究所（AIST）联合创办的创业公司大隈钻石设备公司（Ookuma Diamond Device）正在福岛县大隈市建设大型量产工厂。该工厂预计将于 2026 财年（2026 年 4 月至 2027 年 3 月）投入运营，旨在将其产品用于福岛第一核电站的核废料清除设备。据了解，这些核废料是2011年福岛核事故中反应堆结构和核燃料熔化产生的高放射性残留物，只有金刚石半导体等耐高辐射的设备才能处理它们。通过将这些设备应用于核废料清除，Ookuma Diamond Device 等公司展示了金刚石半导体如何在能源和环境领域带来变革，为传统材料提供持久的替代品。
这些发展尤其引人注目，因为金刚石半导体以其卓越的性能和处理极端条件的能力而闻名，这可能会改变各种高需求的电子行业。
此外，日本产业技术综合研究所也在有效利用其长期积累的“一条龙”式（从结晶生长、晶圆加工，到制成芯片）的技术经验，以推进芯片的实用化。其目标是利用大面积芯片（Chip）实现现有芯片所要求的性能（如电流值、电压值等）。其方针是晶圆、芯片同时“两手抓”。
4、产业链上其他配套企业
另外，金刚石半导体加速商业化的潜力正在引起相关产业链上其他端口企业的关注。
例如，JTEC公司专门为研究机构生产精密设备，并开发了一种用于抛光高硬度材料表面的等离子技术。EDP是日本唯一一家从事宝石用合成金刚石种子制造和销售的公司，拥有世界上最大的单晶生产机制。该公司还参与金刚石半导体基板和工具材料的生产。
随着金刚石半导体技术的进步，合成金刚石的品质和稳定供应越来越重要。住友电工在 20 世纪 80 年代利用工业应用的高品质材料生产出世界上最大的合成金刚石单晶“SumiCrystal”。
……
不得不承认，日本在金刚石半导体创新领域确实处于领先地位，凸显了全球竞相开发先进材料以突破电子设计界限的趋势。这条赛道上依旧存在许多难题与可能性。
未来，金刚石半导体的广泛应用将如何影响电动汽车和发电站的效率和性能，金刚石半导体的成功商业化需要克服哪些挑战，以及日本金刚石半导体的出现将如何影响全球半导体市场动态？
如今，国际上已经有越来越多的单位正在将金刚石半导体从研发阶段推向实用化。而中国作为金刚石生产大国，近几年来更是将材料价格打到了白菜价！
总的来说，金刚石作为未来半导体材料，在这一赛道更是充满了中国智慧与力量，品质上来说，随着技术不断突破，大单晶已不再成为难题。当下，正值功能化应用发展探索新风口，中国能否做到并、领跑？中国，金刚石半导体商业化，还需要多久？
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