全球首块200毫米单晶金刚石晶圆问世，或重塑半导体散热规则

20 多年前，当业界普遍认为单晶金刚石难以生长到大尺寸时，德国科学家 Stefan Gsell 与 Martin Fischer 开始了探索。他们历经无数次失败和重建机器，最终在 2022 年以名下公司被收购的形式、带着技术加入美国实验室培育钻石公司 Diamond Foundry。

2026 年 11 月 5 日，长达 25 年的马拉松迎来高光时刻：Diamond Foundry 宣布全球第一块 200 毫米单晶金刚石晶圆正式问世。

这块晶圆看起来就像是一块巨大的、略带浑浊的玻璃圆盘，它还没有经过抛光处理，表面还不够光滑，甚至透着一些工业制造的粗糙感。但是，正是这块看似不那么起眼的材料，打破了半导体行业几十年来对于金刚石尺寸的固有认知，让单晶金刚石正式跨入大尺寸晶圆时代。

（来源：Diamond Foundry）

为什么要研发它？这得从我们使用手机或者电脑运行大型游戏说起，我们在使用时常常会感觉设备发烫，甚至由于过热而卡顿降频。在 AI 飞速发展的今天，那些在数据中心里日夜不停地运转的 AI 芯片，功率密度愈来愈高，发热量更是非常惊人。传统的硅材料与铜散热器，已经越来越难以把这些热量快速地散出去。

在寻找终极散热材料的这条道路上，金刚石脱颖而出。作为自然界里导热性能最好的物质，它传导热量的能力要远远超过铜。除了散热极佳之外，金刚石还拥有非常高的机械强度、出色的电绝缘性以及优异的光学特性。

（来源：维基百科）

但是在过去的几十年里，科学家一直面临着一个巨大的障碍，那就是尺寸。天然金刚石受限于地质条件，产量非常稀少而且体积微小。在实验室里培育出来的金刚石，尽管纯净度很高，但是一直难以做大，往往只能长到指甲盖大小。金刚石虽然早已被用于切削、研磨和散热等工业领域，但若要更广泛地应用于半导体制造，还需要解决尺寸、质量、加工难度和成本等问题。

为了把金刚石变成能够在工厂里批量制造的工业基础材料，科学家付出了漫长的努力。在半导体行业里，晶圆的尺寸通常代表着制造的效率和成本。硅片从早期的较小尺寸一路发展到当前的 300 毫米大圆盘，每一次尺寸的变大，都意味着能够在同一块材料上切出更多的芯片，从而可以降低成本。

金刚石却一直卡在生长的物理极限里，要把金刚石的碳原子在极高温度和复杂的等离子体环境中，有序地排列成为极其纯净的单一晶格，并且还得保证它在宏观尺度上不发生碎裂，这一难度犹如在没有图纸的情况下搭建一座错综复杂的摩天大楼。

这项看似不可能完成的技术任务，在 Diamond Foundry 团队的坚持下成为了现实。该公司首席执行官 Martin Roscheisen 在发布这块晶圆时感慨说，这是一个曾经看似根本不可能的里程碑，数百名工程师、科学家以及技术人员，经历了无数次的实验失败、发明创造与机器重建，才积累了今天这一成果。

在这个过程之中，等离子体物理、反应器工程以及工艺控制等多项技术都需要取得实质性的突破。他们不仅要解决如何让金刚石长得更大，还要解决怎样让它在生长过程中不产生缺陷，尽可能控制生长过程中的缺陷和应力，保证大面积晶体的质量与均匀性。

而实现 200 毫米尺寸的意义，在于它成功匹配了半导体制造中对成熟工艺节点的晶圆尺寸要求。这意味着，目前的部分半导体制造设备，有望在经过调整后就能用于处理金刚石材料。更加让人期待的是，该公司首席执行官还表示这项突破让 300 毫米金刚石晶圆的制造变得可以预测。按照他们的规划来看，2030 年之前将有望造出 300 毫米的单晶金刚石晶圆，从而能够与当前最先进的半导体晶圆尺寸完全对齐。

讲完了尺寸，再来看看这块晶圆到底能够用来干什么。Diamond Foundry 看重的应用方向之一，是利用金刚石帮助高性能芯片散热，包括未来用于 AI 处理器的热管理。当代的高性能处理器把极其密集的计算单元封装在很小的区域里，热量高度的集中，假如不及时散出，芯片就会降速甚至会被烧毁。

金刚石卓越的导热能力可以在材料底层把热量迅速摊开，降低局部过热的顶点温度，从而能够为芯片设计提供更大的空间。它允许工程师设计功耗更高、性能更强、可靠性更好的芯片，同时也为现有的散热系统减轻了负担。

（来源：Diamond Foundry）

事实上，已经有不少企业在这个方向上布局，比如有公司获得了资金支持去研发将氮化镓与合成金刚石结合的技术，也有传统钻石巨头在研究覆铜金刚石复合材料，大家都在试图利用金刚石的高导热特性来应对 AI 时代的算力散热危机。

除了散热，金刚石在电子性能上也具备极大的潜力。它能够在极高的电压和频率下工作，同时又具备极好的绝缘性，这使得它非常适合用于高功率的电力电子器件，或者下一代的高频通信设备。

在量子计算领域，金刚石内部的某些微小缺陷被称为氮空位色心，这些色心在室温下就能保持量子相干性，是构建量子比特的重要候选材料之一。当金刚石可以像硅片一样被大规模制造时，这些原本停留在实验室前沿的物理构想，就有了走向工程化和商业化的可能。它可以把那些原本只能在影视作品里看到的装置，一点点变成真实的工业产品。

（来源：Diamond Foundry）

当然，从一块生长的晶圆，到最终装进电脑或服务器里的芯片，中间还有很长的路要走。目前展出的这块金刚石还是未经过抛光的粗糙状态，材料表面存在不平整，需要进行精密的加工。

在极端的微观尺度下，如何在一块大面积的单晶材料上进行均匀的掺杂，如何通过光刻技术在金刚石表面雕刻出复杂的电路图形，这些问题都需要产业界在未来的几年里逐步解决。但第一步的跨越已经足够震撼。这项成果显示，将单晶金刚石培育至更大尺寸具有可能性。只要找到正确的物理机制和工程方法，材料学的边界就能被拓宽。

从左到右：此次成果的主要负责人 Stefan Gsell 和 Martin Fisch

人类使用工具的历史，很大程度上就是一部材料进化的历史。从石器到青铜，从钢铁到硅，每一次基础材料的突破，都会引发整个社会生产方式的变革。半导体行业之所以能够发展至今，正是因为人类不断把最普通的沙子提纯成高精度的硅。

如今，科学家们试图将金刚石从珠宝首饰的橱窗里解放出来，变成基础设施里的核心部件。回想这两位德国科学家二十多年的坚持，这份长期主义的精神在快节奏的现代社会里显得较为珍贵。或许在未来的某一天，我们使用的电子设备里，就贴着这样一块由人造金刚石制成的散热片，它们可以带走致命的余热，让算力能够实现毫无顾忌的狂奔。

参考资料：

https://www.tomshardware.com/pc-components/cooling/diamond-foundry-creates-worlds-first-200mm-single-crystal-diamond-wafer-massive-gem-aims-to-solve-ai-chip-cooling-crisis-envisioned-as-a-cooling-material-for-semiconductors

https://www.df.com/insights/d200mm-single-crystal-diamond

https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%92%BB%E7%9F%B3

https://www.linkedin.com/in/stefan-gsell-885401105/

https://www.linkedin.com/in/martin-fischer-46179a129/

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成