工程金刚石，化解数据中心超高功率密度困局

每一代全新AI加速器，都在更小的芯片面积上承载更大电流；而为这些机柜供电的电力电子器件，在硅资源耗尽之前，就已经没有多少散热余量。一份白皮书显示，单机柜平均功率密度现已达到27千瓦。在这样的功率密度下，散热瓶颈正成为性能扩容的主要限制因素。

要在该电流水平下把导体与开关的损耗控制在可接受范围，数据中心运营商正转向800伏直流母线架构与更高密度的功率转换模块。但如何从持续缩小的芯片裸片区域快速排热，属于材料层面难题。

随着功率密度不断提升，核心问题变成如何快速将裸片产生的热量传导至散热器。正是在这里，金刚石的材料特性，为电力电子设计师提供了解决思路。

工程金刚石（或称合成金刚石）除可作为超高热管理衬底之外，本身还是一种超宽禁带（UWBG）半导体，有潜力成为 “终极” 有源器件：面向高功率密度应用的下一代功率开关。

金刚石材料特性

早在数年前，业界就已经知晓金刚石的半导体特性，但又花费多年时间，才研发出合适的化学气相沉积（CVD）工艺，使其能够用作衬底材料。

高质量块体CVD单晶金刚石在室温下的热导率约为2200–2400瓦/米・开；¹²C 同位素富集的样品，热导率可达3300瓦/米・开 。该数值比氮化铝高出一个数量级，约为铜的5倍。对于给定热通量，这可以直接降低温升，扩大安全工作区，同时提升可实现的开关频率。

金刚石禁带宽度为5.5电子伏特，理论击穿场强约5–10兆伏/厘米，大致是4H-SiC与GaN（约3兆伏/厘米）的2至3倍。实验室制备的肖特基二极管，击穿场强已经接近8兆伏/厘米 ，逼近这一理论区间。随着制造工艺持续缩小差距，金刚石器件能够实现超高电压、低漏电流工作。

除此之外，金刚石还有两项适配半导体封装的关键特性。第一，本征金刚石是电绝缘体，可紧贴有源电子器件直接集成，不会形成短路通路。第二，金刚石的材料特性使其非常适合用作半导体裸片与大型冷却堆叠结构之间的均热板。

过去十年，化学气相沉积技术不断进步，让金刚石不再只是小众科研材料，一跃成为候选半导体衬底与热管理材料。在高温、高功率工作场景下，它的禁带宽度与热导率优于碳化硅和氮化镓。

光子企业Coherent宣布推出新一代热管理方案（图1）。这款金刚石材料经过特殊表面处理，可直接键合至半导体裸片，用于电子与光电子应用。可键合金刚石能够消除或大幅降低界面热阻，显著提升大功率器件的散热性能。传统均热板需要使用带有热阻的热界面材料（TIM），从而限制整体冷却效率。Coherent方案支持与硅、碳化硅、氮化镓等材料直接熔合键合、混合键合或金属键合；对于面积最大100平方毫米的裸片，界面热阻最高可降低99%。

图1：Coherent可键合金刚石大幅降低界面热阻，改善器件热管理

金刚石晶圆制造

金刚石作为半导体的物理原理本身不存在难题，难点在于晶圆级制造的一致性。

2026年6月，隶属于戴比尔斯集团的Element Six（E6）与总部位于东京的精密元件厂商Orbray，公布了可稳定量产的3英寸晶圆级单晶金刚石制备工艺（图2），4英寸衬底的研发工作也已启动。两家企业称，该成果相比传统单晶金刚石，在尺寸、均匀性与可制造性上实现跨越式提升。

Element Six还在俄勒冈州格雷舍姆的CVD产线准备2英寸晶圆，面向热键合应用进行规模化生产。这一系列晶圆项目瞄准6G无线元器件、功率与射频电子器件、传感、热管理以及量子技术。

这项成果意义重大：晶圆级制造，是金刚石从专用散热嵌入件，转向深度集成半导体架构的核心条件之一。

图2：Element Six（E6）与Orbray成功开发3英寸晶圆级单晶金刚石（WSC）工艺

Diamond Foundry（DF）自称是单晶金刚石（SCD）晶圆制造商，其晶圆直径100毫米，单颗重量110克拉。该公司走另一条商业化路线，于2025年在西班牙特鲁希略建成D-Foundry II工厂并投产，此后逐步爬坡产能。据该公司介绍，基于单晶金刚石衬底的芯片，有望打造具备商用可行性的AI芯片、先进散热方案以及下一代3D封装。

日本的Ookuma-DD采用器件优先路线，在福岛县大熊町建设了相关产线，产品面向极端温度与强辐射环境。选址于此并非偶然。

合成金刚石基半导体能够承受强辐射、高温等恶劣环境，这类环境会直接摧毁传统硅基电子器件。因此，Ookuma Diamond Device正规划并积极筹备金刚石基半导体与功率器件的量产，专门用于核电站退役场景。金刚石器件的应用范围不止福岛核事故清理，还包括太空探索、国防雷达、下一代通信等高端次级市场。

在2025日本半导体展（SEMICON Japan 2025，图3）上，早稻田大学孵化企业Power Diamond Systems（PDS）首次公开验证封装后金刚石半导体的性能。该公司展示面向高压、高温场景的器件。该半导体器件可在数百伏电压下工作，预计将用于电动汽车（EV）与通信卫星。企业希望对接潜在客户，在2030年代实现技术商用落地。

图3：PDS在2025日本半导体展推出合成金刚石基功率MOSFET

两种不同架构：氮化镓上金刚石（GaN-on-diamond）与纯金刚石器件

研究金刚石功率变换技术的工程师有两条技术路线可选。短期路线是将现有的GaN或SiC器件层键合在金刚石衬底上；此时金刚石仅作为均热板，而非有源半导体。该方案避开金刚石掺杂与接触工艺尚不成熟的短板，同时获得大部分散热收益。

Diamond Foundry展示了Perseus功率逆变器（图4），称在同等功率下，它的体积大约是传统特斯拉Model 3逆变器的六分之一。

图4：Diamond Foundry基于单晶金刚石晶圆打造的Perseus功率逆变器，已在一级汽车供应商实验室完成测试

与此同时行业逐渐意识到：器件与金刚石界面处的热边界阻力（TBR），而非块体材料本身热导率，才是影响散热的核心变量。有文献报道，针对GaN-on-diamond堆叠结构，最新的表面活化键合与混合键合技术，可以在实际器件厚度下释放金刚石本身的散热潜力。

GaN-on-diamond相关研究验证了减薄器件与金刚石之间介质层的效果：有文献采用354纳米GaN缓冲层加17纳米界面层，测得热阻约9K・毫米/瓦 。另一项研究把AlGaN/GaN晶体管从硅衬底转移至单晶金刚石，在3GHz下实现14.4瓦连续波射频输出功率（8.0瓦/毫米），相比硅基器件提升15%。

长期路线则为单片集成方案。该路线要开发金刚石有源晶体管与肖特基二极管，由金刚石本身承担开关功能，而不只是散热。

Diamond Quanta在2025年2月《MRS Advances》期刊上发表经过同行评审的成果：借助自研共掺杂与缺陷工程工艺，实现多晶金刚石更高电子迁移率。该企业称，这是首款达到电子级的多晶金刚石平台，以往认为只有单晶材料才能实现该性能。

这项进展意义重大。把金刚石做成可用功率开关（而不只是散热垫片），长期面临一项基础化学难题：标准掺杂工艺很难适配金刚石刚性晶格结构。

硼、磷这类传统掺杂元素虽然可以引入正、负电荷，但需要极高激活能；室温下绝大多数电荷会被 “捕获”，电流因此受限。如今依靠表面电荷转移、缺陷工程共掺杂等新技术，这一障碍终于被逐步攻克，金刚石有望成为真正的功率开关。

研究人员已经制备出C-H表面金刚石场效应晶体管，支持400℃高温、500V高压工作。该成果表明，其结温余量远高于大多数电力电子器件。充足的温度余量，能够在不配套更大冷却系统的前提下提升功率密度；器件还可在极端环境无源工作（井下钻探、航空航天、发动机周边电子设备），器件运行远离热极限，长期可靠性也会提升。

此外，实验室原型的常关型氢终端金刚石MOSFET，在室温下已经实现高击穿电压 。

在数据中心场景的定位

尤其是电力电子领域，金刚石在数据中心的近期应用定位，更多是作为均热层与热界面材料，而非直接完全替代硅、GaN或SiC开关器件。

Coherent、Element Six等企业已经可以供货金刚石均热板，能够降低冷却能耗、提升芯片工作频率。这套方案大幅缓解现代芯片散热难题。

大功率应用设计师能直接受益：单机柜单元内功率模块可以更高密度排布，同时不用降额开关频率，进而缩减交直流、直流 - 直流转换电路里的磁性元件与电容组。

对于设计下一代AI机柜功率模块的工程师，现阶段金刚石更适合看作成熟GaN、SiC开关之上的散热赋能材料，而不是即插即用替换器件。这种局面预计还会维持数年：GaN-on-diamond均热板、金刚石热中介层会率先量产；等到晶圆尺寸、掺杂均匀性、界面技术成熟之后，金刚石有源晶体管才会跟进落地。

Element Six联合Orbray今年公布3英寸、后续4英寸晶圆里程碑，叠加Diamond Foundry、Diamond Quanta在器件层面的研发成果，标志着金刚石已经从材料科学领域的新奇研究对象，转变为可进入质量认证的供应链材料。