2022年8月12日，美國商務部將壓力增益燃燒技術、EDA軟件、氧化鎵和金剛石等寬禁帶半導體材料列入商業管制清單，限制出口。這一措施對我國半導體行業發展產生了制約。半導體材料是半導體器件和集成電路的基礎，其生產涉及復雜的產業鏈，包括上游的襯底和外延材料、中游的器件和集成電路設計、以及下游的晶圓封裝等環節。襯底材料毛利率達 50%左右，是產業鏈最具價值、技術含量最高的環節，幾乎決定著芯片制程的技術路線，襯底的選擇對未來半導體產業的發展起關鍵性作用。

目前第三代半導體有氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、AlN（氮化鋁）、ZnO（氧化鋅）等，近年來各國陸續布局半導體產業，產業化進程快速崛起。金剛石禁帶寬度達 5 eV，是當前單質半導體材料中帶隙最寬的材料，同時具有高擊穿電場、大飽和載流子速度、高載流子遷移率和底介電常數等優異電學性質，被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，有望成為第四代半導體材料。

CVD 金剛石與其他半導體材料性能對比

各代半導體材料禁帶寬度

1.企業下注與創新動態

在國內，2021年，四方達與鄭州大學簽訂協議，獲得CVD金剛石制備及應用技術，并啟動MPCVD合成金剛石與半導體器件研究，隨后通過增資天璇半導體，拓展了CVD金剛石業務。2022年，化合積電公司實現 125mm 金剛石熱沉片生產；2023年底，專利材料顯示，華為公司與哈爾濱工業大學聯合申請的這項發明專利實現了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎的硅/金剛石三維異質集成。外界分析稱，這一技術的突破之處在于，它成功地將硅和金剛石這兩種性質迥異的材料結合在一起，開創了芯片制造領域的新思路；目前，元素六公司已實現 4 英寸電子級多晶金剛石的商業化量產，

日本也積極推動金剛石半導體的實用化。根據《日本經濟新聞》的報道，日本初創企業OOKUMA公司計劃最早于2026年度開始投產。日本佐賀大學的研究表明，金剛石半導體在高溫和高電壓下的性能遠超當前主流的硅基半導體，其工作溫度可達到硅基半導體的5倍，承受電壓可達到33倍。

OOKUMA公司計劃將其金剛石半導體器件首批應用于福島第一核電站的核廢料處理任務。由于核廢料處理需要在極高的輻射強度和高溫環境下進行，普通半導體器件在這樣的極端條件下壽命極短，而金剛石半導體能夠在450攝氏度的高溫和高輻射環境中穩定工作。

此外，傳統上為了保護半導體器件免受強輻射和高溫影響，往往需要用沉重的鉛包裹并配備專門的冷卻裝置。金剛石半導體的應用可以省去這些裝置，從而減輕機器人的重量，提高工作效率。

除了核廢料處理，OOKUMA公司還計劃將金剛石半導體應用于衛星通信領域，與三菱電機等公司開展聯合研究。同時，OOKUMA公司也計劃與日本其他廠商合作，開發用于純電動汽車的金剛石半導體器件，以推動其在更廣泛應用中的發展。

2.CVD 金剛石制備

人工合成金剛石的主流方法可分為高溫高壓(HPHT)法和化學氣相沉積(CVD)法兩大類。其中，HPHT法主要用于合成金剛石粉體(或小尺寸單晶)，主要應用于切割、磨削、拋光等機械工具領域。不過，HPHT法對于金剛石內部缺陷和雜質的控制比較困難，目前還無法滿足半導體金剛石材料的合成需求。

CVD法可以制備高質量的金剛石，因其優越的腔室真空環境，使所制備的金剛石材料內部雜質較少。CVD法包括熱絲CVD法、等離子體噴射CVD法、微波等離子體CVD法。在這三種CVD方法中，微波等離子體CVD(MPCVD)法因為沒有電極污染而備受青睞。它采用微波激發真空腔室中的反應氣體，從而產生等離子體。等離子體中的碳相關活性基團在襯底表面沉積，從而實現金剛石的生長。MPCVD金剛石生長過程中，除了氣體中自身攜帶的極少量雜質外(這些雜質可以通過使用超高純化氣體來極大消除)，一般不會再引入其他雜質。所以，MPCVD法生長的金剛石純度可以非常高。因此，MPCVD方法被認為是制備半導體金剛石材料的最佳方案。

目前制備大尺寸金剛石及晶圓，有不同的技術路線：同質外延生長技術能夠生產缺陷密度較低的單晶薄片，最大尺寸可達1英寸。馬賽克拼接技術則通過將多個小片金剛石晶片拼接在一起，可以制造出直徑達到2英寸的金剛石晶圓。利用金剛石異質外延技術，可生產出最大尺寸為4英寸的晶圓。如采用低成本異質外延 CVD 法，通過生長金剛石多晶薄膜，晶圓已達 8 英寸，可作為導熱襯底，用于新一代功率電子器件。

多晶金剛石作為大功率芯片、電子器件散熱片方面具備高性能優勢，未來隨產量提升和成本下降有望在半導體散熱片領域得到大規模應用。目前國際最大制備尺寸可達 8 英寸，隨著 MPCVD 技術的改善升級有望與現存的 8 英寸半導體晶圓制造產線兼容，最終實現多晶金剛石熱沉材料在半導體材料產業的規?；瘧猛茝V。

金剛石和 SiC 熱沉基板熱管理能力對比

3.應用市場

金剛石在極端惡劣環境下的優異性能，使其在人工智能（AI）相關領域中具有重要應用價值。金剛石的高紅外透過率和低光學自發射率，使其成為光學窗口的理想材料，能夠顯著提升AI驅動的紅外搜索與跟蹤系統的性能。這些系統廣泛用于機載、彈載和艦載的先進武器平臺中。

在高功率微波武器和高能激光武器中，金剛石的高熱導率和優良的光學性能可有效減少溫度梯度和折射率梯度變化，從而保持光束的穩定性。對于人工智能系統所需的精確測量和操作，金剛石作為高能CO2激光器的輸出介質窗口，能夠提供高功率和高頻率的穩定輸出。

此外，金剛石的X射線窗口特性，包括更高的透過率、高強度硬度和高損傷閾值，使其成為新一代X射線窗口材料的有力候選，能夠替代傳統材料如鈹。這樣的材料在AI驅動的醫學影像和安全檢查領域中具有廣泛的應用潛力。

高功率微波窗口常用介質材料的性能參數

2021 年全球 CVD 金剛石市場銷售額達到了 4 億美元，預計 2028 年將達到 6.8 億美元，年復合增長率（CAGR）為 7.7%（2022-2028）。根據共研網統計，中國 CVD 金剛石市場規模從 2014 年的 0.35 億元增長至 2021 年的 1.51 億元。目前我國 CVD 金剛石市場規模較小，考慮到半導體材料隨下游半導體市場快速增長，以及在新能源、互聯網、云計算、數據中心、消費電子等諸多領域信息化發展對半導體的龐大需求，隨著第四代半導體材料逐漸應用，CVD 金剛石市場規模潛力巨大。

1.《金剛石光學窗口相關元件的研究進展》王偉華

2.《金剛石半導體器件的研究與展望》孫再吉

3.《下一代芯片用什么半導體材料》曹思琦

4.《工業金剛石持續高景氣，培育鉆石未來新風口》中原證券

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