中国曾宣布好消息：全世界都没想到，中国居然实现了弯道超车？

很多人第一次听到"8英寸金刚石"，想到的可能是珠宝和价格。但这一次，哈工大团队研究的不是首饰，而是给高性能芯片解决"发烧"问题的关键材料。

随着芯片越来越小、晶体管越来越密集，散热已经成为高性能芯片必须面对的关键问题。传统铜散热材料的热导率大约在400W/(m·K)左右，而金刚石可以达到2000—2200W/(m·K)，理论上的导热能力远高于铜。

哈工大朱嘉琦团队早期做金刚石相关研究时，面临的现实问题是装备——国内装备做不了，国外设备又存在禁用情况。想继续往前走，只能自己干。

那么，金刚石为什么如此被半导体行业看重？要理解这个问题，还得从硅的局限说起。

硅有许多优点，使其成为使用最广泛的半导体，但它远非完美。首先是硅的带隙，即将元素的电子从静止状态激发到能量状态所需的能量。

带隙越宽，激发这些电子所需的能量就越多。硅的带隙仅为1.12电子伏特，相对较窄。

如此窄带隙的好处是不需要太高的电压就能切换硅晶体管。但这也意味着热量可能会导致晶体管意外切换。

随着热量的增加，电荷载流子会穿透栅极，产生小的漏电流。这种电流会消耗更多的热量，从而加剧泄漏并产生更多的热量，形成负反馈循环。

硅还具有相对较低的击穿场强。如果暴露在足够强的电场下，硅可能会失去其绝缘特性——导致大电流突破。

因此硅不适合用于高热和强电场的情况。例如电动汽车中的逆变器，它将直流电转换为交流电供电动机使用，必须承受400伏或更高范围内的高电压。

又如用于放大5G基站1-6吉赫兹高频信号的射频放大器，毫米波的频率甚至更高。对于这些应用，人们探索了所谓的更宽带隙材料。

磷化铟和砷化镓的带隙略高——分别为1.35和1.42电子伏特。碳化硅和氮化镓的带隙更宽，分别为3.26和3.4电子伏特。

但需要考虑的不仅仅是原始带隙，还必须考虑经济性、可制造性和其他因素。磷化铟和砷化镓的带隙并不比硅高多少，而且它们对人类都有毒，相对稀有。

碳化硅的载流子迁移率相对较低，这意味着电子和电子空穴等电荷载流子不能很快地穿过。氮化镓在LED和光学行业中广泛使用，然而它在高切换频率下会变得不稳定，而当暴露在高热和强电场下时，它比硅更快地分解。

1980年代末和1990年代初，人们探索了所谓的超宽带隙材料，如氮化铝、氧化镓，当然还有钻石。钻石的带隙与硅相比绝对巨大：5.5电子伏特对比1.12。

它每厘米10兆伏的击穿场强可以比硅高33倍。它的电荷载流子迁移率也很好，特别是非常纯的"电子级"钻石。

也许最有用的是钻石无与伦比的热导率。得益于强共价键使携带热量的声子能够无干扰地传播，钻石的热导率约为每米开尔文2200瓦。

这是所有已知半导体中最高的之一，远超硅的150瓦，超过了铜的400瓦和碳化硅的370瓦。因此在场效应晶体管中，这种优势相当明显。

钻石晶体管内置了无与伦比的散热器，这意味着在相同温度下可以通过钻石散发比硅和其他材料多得多的功率。钻石还相当抗辐射，适合极端条件，如太空旅行。

将所有这些特性集于一身，使它完美适用于550-600亿美元电力电子市场中某些高性能利基领域。但没有钻石晶体管的原因是它们非常难以制造。

人类首次制造基于钻石的半导体器件是在1950年代末。但此后几十年进展停滞。钻石的第一个问题是如何廉价地大量生产。

硅可以通过柴可拉斯基法从熔融硅熔体中拉出晶体并切割来大规模生产12英寸宽的单晶硅晶圆。但该方法不能应用于钻石，因为无法生产一桶钻石"熔体"。

除非置于难以维持的高压条件下，否则熔融钻石会变成石墨。因此在1950年代，合成钻石的唯一方法是复制地球内部的高压高温条件，称为HPHT法。

HPHT涉及将碳放在由超硬合金制成的巨大活塞下，使其承受5.5吉帕的条件，约1300至1400摄氏度。HPHT生产的钻石晶体几乎没有晶格缺陷，但有三个问题。

首先，钻石太小，用途不大。第二，HPHT会将周围环境中不需要的杂质——如硼、钴和氮——引入钻石。

第三个问题是HPHT方法本身昂贵且需要大量维护。因此，一种新方法应运而生：称为微波等离子体CVD（MPCVD）的化学气相沉积形式。

这涉及将前驱气体的混合物——甲烷约97%稀释在氢气中——注入一个腔室。强大的微波剥离气体原子的电子，形成等离子体。

甲烷分解为碳和氢。游离的碳原子在种子钻石的表面上形成化学反应，在其顶部垂直构建一层钻石。

MPCVD在1980年代商业化，是大规模生产宝石级钻石的主要方法。然而，还需要做更多工作。

微波等离子体本身是不均匀的，晶圆的不同区域经历不同的条件，导致质量不均匀。多晶钻石充满晶界和其他边界缺陷，阻碍电荷载流子的运动，否定了材料固有的电子优势。

一个关键问题是缺乏足够大的单晶种子钻石。通过MPCVD生长单晶钻石很慢：在没有氮气的情况下，每小时75微米。

进入商业化的目标宽度约为4英寸。但仅10毫米宽的单晶晶圆的成本可能是等效硅的1万倍。要达到更大尺寸，需要超越种子的物理尺寸。

此前有一种马赛克法，将多个种子放在一起形成一个"马赛克"，就像一个窗格。钻石在马赛克上生长，融合在一起形成一个更大的部分。

另一个主要问题是掺杂。对于硅，可以通过向材料中注入磷或硼等杂质原子来生产电活性的N型或P型硅。

硼和磷都约为0.045电子伏特，硅的电离能阈值足够低。但掺杂钻石的阈值要高几倍。硼的是0.36电子伏特，磷的更深，为0.57。

因此在室温下，只有一小部分硼原子放弃其电荷载流子。所以除非钻石晶体管承受高温，否则电荷载流子太少，无法让晶体管高效运行。

钻石掺杂问题如此糟糕，以至于使该领域的技术进展脱轨，投资和努力转向了碳化硅等其他材料。但在1989年，CVD钻石的一次偶然实验发现，如果终止钻石表面的悬挂碳键，可以产生比预期高1万亿倍的导电表面。

首个严肃的钻石场效应晶体管出现在1994年。研究者展示了一个MESFET——金属半导体场效应晶体管。

多年来，已经制造了更多的MESFET和变体，例如氢终止被氧终止取代，氧终止在空气中更稳定。但主要挑战仍然存在。

所以钻石晶体管离能够与碳化硅或GaN电力电子竞争还相当远。不过值得注意的是，不必实现完整的钻石晶体管才能获得其好处。

栅后钻石方法，其中铺设一层钻石作为某些运行发热的晶体管（如高电子迁移率晶体管，或HEMT）的散热器，也许就是未来。这恰恰是中国团队这些年所走的路线。

朱嘉琦团队所做的，正是把金刚石做成大尺寸、高纯度、低缺陷的电子级材料，然后再把金刚石和铜结合起来，做成真正能够贴到芯片封装体系上的散热材料。

2026年2月28日，国内首条8英寸金刚石热沉片生产线在河南长葛正式投产，一期年产规模达到2万片，项目总投资12亿元，产品覆盖6英寸、8英寸多晶金刚石柔性薄膜以及金刚石热沉片。

2026年5月，由15位中国科学院、中国工程院院士领衔的专家组，对"高导热金刚石复合材料关键技术与应用"进行成果评价，认为该项目总体达到国际先进水平。

2026年6月，哈工大郑高院转引《科技日报》的报道显示，曙光数创的兆瓦级相变浸没液冷系统已经规模化应用金刚石铜导热材料，在特定系统测试中实现计算性能提升约10%。

从关键装备受限，到自主研发MPCVD装备，再到大尺寸晶体、金刚石铜复合材料和8英寸热沉片生产线，中国走的并不是一条轻松的路。十几年时间，换来的不只是一块更大的金刚石，而是一条正在形成的高端材料产业链。

正如半导体领域经常出现的情况，优越的材料特性只是方程式的一小部分，它还需要可制造、可扩展和经济。市场日益增长的需求和材料本身固有的吸引力，将继续推动未来几年更多的研究与产业突破。