Diamant-Halbleiter: Wie weit ist die Industrialisierung noch entfernt?

Diamant-Halbleiter sind einer der Schwerpunkte der neuen Runde.

Am 9. Oktober 2025 haben das Handelsministerium und die Zollverwaltung gemäß dem "Gesetz der Volksrepublik China über die Exportkontrolle", dem "Außenhandelsgesetz der Volksrepublik China", dem "Zollgesetz der Volksrepublik China" und der "Verordnung der Volksrepublik China über die Exportkontrolle von Dualnutzungsgegenständen" aus Gründen des Schutzes der nationalen Sicherheit und Interessen sowie der Erfüllung internationaler Pflichten wie der Non-Proliferation vier Ankündigungen gemeinsam herausgegeben und die Exportkontrolle für einige Gegenstände eingeführt, darunter auch Diamant.

Tatsächlich war Diamant schon lange ein Fokuspunkt des zukünftigen Halbleitermarktes. Im Jahr 2022 hat die Bureau of Industry and Security (BIS) des US-Handelsministeriums in der Bundesanzeiger eine vorläufige Endverordnung herausgegeben, die die Exportkontrolle für 4 "aufstrebende und grundlegende Technologien" vorsieht. Zwei davon sind ultrabreite Bandlücken-Halbleitermaterialien wie Galliumoxid und Diamant.

Diamant, der zukünftige Halbleiter

Derzeit hat sich die Entwicklung der Halbleitermaterialien bereits in die vierte Generation bewegt.

Die ersten Generationen von Halbleitermaterialien waren hauptsächlich Silizium und Germanium; die zweiten Generationen waren hauptsächlich Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP); die dritten Generationen waren hauptsächlich Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

Die vierten Generationen von Halbleitermaterialien bezeichnen Halbleitermaterialien mit extrem breiten oder schmalen Bandlücken, einschließlich ultrabreiter Bandlücken (UWBG) und ultrachmaler Bandlücken (UNBG). Die ultrabreiten Bandlücken-Halbleitermaterialien haben eine Bandlücke von über 4 eV und können schwere Umgebungen wie hohe Spannungen, hohe Temperaturen und hohe Strahlung widerstehen. Diamant gehört zu diesen Materialien, außerdem gibt es noch Galliumoxid und Aluminiumnitrid. Die ultrachmalen Bandlücken-Halbleitermaterialien haben eine Bandlücke von weniger als 0,5 eV und können hervorragende Eigenschaften wie niedrigen Energieverbrauch, hohe Empfindlichkeit und hohe Geschwindigkeit erreichen. Repräsentative Materialien sind Galliumantimonid und Indiumarsenid.

Diamant hat eine Bandlücke von etwa 5,5 eV und ist das Material mit der höchsten Leistung in der vierten Generation. Es wird als "ultimatives Halbleitermaterial" angesehen und hat hervorragende Wärmeleitfähigkeit, die 13-mal höher als die von Silizium ist. Es eignet sich für hochfrequente, hochleistungsfähige und hochtemperaturfeste Elektronikbauelemente.

Da die Silizium-basierten Halbleiter der physikalischen Grenze des "Moore'schen Gesetzes" nähern, werden die dritten Generationen von Halbleitermaterialien zur Schlüsselrichtung für die industrielle Entlastung. Nach Siliziumcarbid und Galliumnitrid eröffnen Diamant-Halbleiter mit ihren dreifachen Eigenschaften von "ultrabreite Bandlücke, ultrahoche Wärmeleitfähigkeit und ultrahoche Spannungsfestigkeit" neue Vorstellungsmöglichkeiten in den Bereichen hoher Leistung, hoher Frequenz und extremer Umgebungen.

In Hochleistungs-Szenarien sind "Wärmeableitung" und "Spannungsfestigkeit" die beiden Kernprobleme. Herkömmliche Siliziumbauelemente neigen dazu, bei hohen Spannungen und großen Strömen übermäßig zu erwärmen und aus dem Kontrollbereich zu geraten. Obwohl Siliziumcarbid Verbesserungen bringt, kann es immer noch nicht die Anforderungen der nächsten Generation von Hochleistungsgeräten erfüllen. Die ultrahoche Wärmeleitfähigkeit und die hervorragende Durchbruchfeldstärke von Diamant-Halbleitern sind genau die Schlüssel, um dieses Problem zu lösen.

Mit der Weiterentwicklung der Elektromobile hin zu 800-V-Hochspannungsplattformen werden die Schwächen der Spannungsfestigkeit und Wärmeableitung der herkömmlichen Silizium-basierten IGBTs (Isolations-Gate-Bipolartransistoren) immer deutlicher. Diamant kann höhere Spannungen aushalten und verbessert direkt die Leistung und Sicherheit des gesamten Fahrzeugs.

Im Bereich der Hochfrequenzkommunikation sind die "Frequenzgrenze" und der "Signalleistungsverlust" die Schlüssel, die die Leistung einschränken. Die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit von Diamant-Halbleitern macht sie zum "idealischen Träger" für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Sie spielen beispielsweise in Radarsystemen und Satellitenkommunikationen eine Rolle.

Diamant-basierte Galliumnitrid-Heterostrukturbauelemente können durch die Optimierung des Grenzflächenwärmewiderstands eine Reduzierung der Knotentemperatur um 50 % und eine Erhöhung der Leistungsdichte um das 3-fache erreichen. Die Zuverlässigkeit dieser Bauelemente wurde bereits in Kommunikationsmodulen für Satelliten in niedriger Umlaufbahn und in 5G-Millimeterwellen-Basisstationen bestätigt.

In Bezug auf die Quantenrechnung können die Farbzentren in Diamant, insbesondere die NV-Zentren, aufgrund ihrer einzigartigen Quanten-Eigenschaften als Quantenbits (Qubits) verwendet werden und in der Quantenrechnung für die Ausführung von Rechenoperationen eingesetzt werden. Zweitens haben die Farbzentren in Diamant eine extrem hohe Präzision der Quantenmanipulation, was für den Aufbau von leistungsfähigen Quantencomputern von entscheidender Bedeutung ist. Die Quantenbits in Diamant können auch bei Raumtemperatur betrieben werden, was im Gegensatz zu vielen anderen Quantenrechnungsplattformen steht, die eine extrem tiefe Temperaturumgebung erfordern. Dies trägt dazu bei, die Komplexität und die Kosten des Quantenrechnungssystems zu reduzieren.

Japan, an der Spitze

Die Fortschritte Japans in der Diamant-Halbleitertechnologie sind bemerkenswert. Es wird erwartet, dass zwischen 2025 und 2030 mehrere praktische Anwendungen realisiert werden.

Die Universität Saga in Japan steht an der Spitze dieser Innovation. Im Jahr 2023 hat sie das erste Weltleistungshalbleiterbauelement aus Diamant entwickelt. Dieser Durchbruch wurde in Zusammenarbeit mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) erreicht, wobei der Schwerpunkt auf Hochfrequenzelementen für die Weltraumkommunikation lag.

Darüber hinaus hat die in Tokio ansässige Firma Orbray die Massenproduktionstechnologie für 2-Zoll-Diamantscheiben entwickelt und strebt das Ziel an, 4-Zoll-Substrate herzustellen. Sobald die Kommerzialisierung von 4-Zoll-Diamantsubstraten erreicht wird, wird ein Schlüsselengpass in der Produktion behoben, die Machbarkeit für breite industrielle Anwendungen näher rücken und Japans Halbleiterindustrie in der Lage sein, weltweit neue Standards zu setzen.

Orbray arbeitet auch mit der Anglo American plc zusammen, um ihr Geschäft mit künstlichen Diamantsubstraten voranzubringen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von großflächigen Diamantsubstraten für Leistungshalbleiter und Kommunikation. Das Unternehmen plant, seine Produktionsanlagen in der Präfektur Akita in Japan auszubauen und wird voraussichtlich 2029 an die Börse gehen.

Power Diamond Systems ist ein japanisches Start-up-Unternehmen, das aus der Waseda-Universität hervorgegangen ist. Im Jahr 2023 hat es erfolgreich eine Technologie entwickelt, um die Stromtragfähigkeit von Diamantleistungshalbleitern zu verbessern. Das Unternehmen plant, in den nächsten Jahren Musterprodukte vorzustellen und hat eine Partnerschaft mit der Kyushu Institute of Technology eingegangen.

Das Potenzial für die Beschleunigung der Kommerzialisierung von Diamant-Halbleitern hat das Interesse an den damit verbundenen Geschäften gesteigert. Beispielsweise produziert die Firma JTEC spezielle Präzisionsgeräte für Forschungsinstitute und hat eine Plasmatechnologie für die Politur von Oberflächen hochharter Materialien entwickelt.

Die EDP ist das einzige japanische Unternehmen, das sich mit der Produktion und dem Verkauf von Samen für künstliche Diamanten für Schmuckbe Zwecke befasst und über die weltweit größte Anlage zur Produktion von Einkristallen verfügt. Das Unternehmen ist auch in die Produktion von Diamant-Halbleitersubstraten und Werkzeugmaterialien involviert.

Mit der Entwicklung der Diamant-Halbleitertechnologie werden die Qualität und die stabile Versorgung von synthetischen Diamanten immer wichtiger. Die Sumitomo Electric Industries hat in den 1980er Jahren den weltweit größten künstlichen Diamant-Einkristall namens "SumiCrystal" hergestellt, der aus hochwertigem Material für industrielle Anwendungen besteht.

In den letzten Jahren sind in den Vereinigten Staaten einige Start-up-Unternehmen im Bereich der Diamant-Halbleiter entstanden. Die meisten dieser Unternehmen nutzen jahrelange akademische Forschungs- und Entwicklungsexpertise, um die Kommerzialisierung von Halbleiter-Diamantbauelementen voranzubringen. Beispiele hierfür sind Diamond Foundry, Diamond Quanta und Advent Diamond.

Chinas Diamant-Halbleitertechnologie beschleunigt die Industrialisierung

Im Januar 2024 hat das Team von Professor Wang Hongxing der Xi'an Jiaotong-Universität nach 10 Jahren langem engagiertem Forschungs- und Entwicklungsprozess mithilfe der Mikrowellenplasma-Chemischen Gasphasenabscheidung (MPCVD) Technologie unabhängig einen 2-Zoll-Heteroepitaxie-Einkristall-Diamant-Selbsttragenden Substrat entwickelt und erfolgreich in die Massenproduktion gebracht, was ein weltweit führendes Niveau erreicht hat.

Im Dezember 2024 hat das Dongguan Institute of Optoelectronics der Peking-Universität die neuesten Forschungsergebnisse veröffentlicht. Ein gemeinsames Forschungsteam aus dem Dongguan Institute of Optoelectronics, der Southern University of Science and Technology und der Universität Hongkong hat bedeutende Fortschritte bei der Herstellung und Anwendung von Diamantschichtmaterialien erzielt und erfolgreich ein Herstellungsverfahren entwickelt, das die Massenproduktion von großflächigen, ultraschliefen und flexiblen Diamantschichten ermöglicht.

Im Februar dieses Jahres haben das Team von Professoren Liu Bingbing und Yao Mingguang der Jilin-Universität in Zusammenarbeit mit Professor Zhu Shengcai der Sun Yat-sen-Universität einen Artikel in der internationalen Spitzenzeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht und angekündigt, dass sie erstmals erfolgreich hochwertige hexagonale Diamantblöcke synthetisiert haben. Die Härte und die thermische Stabilität dieser Blöcke übertreffen bei weitem die von herkömmlichem kubischem Diamant. Das Team hat durch die Simulation der extremen Umgebung eines Meteoritenaufpralls auf den Erdkern (50 GPa Überdruck, 1400 °C) festgestellt, dass Graphit in hexagonalen Diamant umgewandelt werden kann. Die Härte dieses hexagonalen Diamanten erreicht 155 GPa, was 40 % höher als die von kubischem Diamant ist, und die thermische Stabilität übersteigt 1100 °C.

Im gleichen Monat hat die Firma Northern Huachuang bei der Beantwortung von Fragen von Anlegern auf der Interaktionsplattform angegeben, dass sie die Forschungsfortschritte im Bereich der vierten Generation von Halbleitern eng verfolgt und Forschungsgeräte für Kristallzucht, Ätzen und Schichtabscheidung für Forschungsinstitute anbieten kann.

Huawei hat sich auch intensiv im Bereich der Diamant-Chips positioniert. Im Jahr 2024 hat Huawei gemeinsam mit der Harbin Institute of Technology ein Patent für "ein Mischbondverfahren für einen dreidimensional integrierten Chip auf Silizium- und Diamantbasis" beantragt. Diese Technologie integriert Silizium-basierte Substrate und Diamantsubstrate dreidimensional mithilfe der Cu/SiO₂-Mischbond-Technologie und bietet Wärmeableitungskanäle für dreidimensional integrierte Silizium-basierte Bauelemente, wodurch die Zuverlässigkeit der Bauelemente verbessert wird.

Huawei hat auch mit der Xiamen-Universität zusammengearbeitet und bedeutende Fortschritte bei der integrierten Chip-Diamant-Wärmeableitungstechnologie für fortschrittliche Verkapselungsglasinterposer erzielt. Bei einer Spitzenleistungsdichte von etwa 2 W/mm² am Heißpunkt des Chips kann ein integriertes Diamant-Wärmeableitungssubstrat die maximale Knotentemperatur des Chips um bis zu 24,1 °C senken und den Wärmewiderstand der Chipverkapselung um 28,5 % reduzieren.

Abgesehen von den Forschungsfortschritten an Universitäten und Forschungsinstituten gibt es in China auch einige Unternehmen, die die Industrialisierung von Diamant-Halbleitern beschleunigen.

Unter den börsennotierten Unternehmen sind die Hauptunternehmen auf dem Gebiet der künstlichen Diamanten LiLiang Diamond, Huanghe Whirlwind, Huifeng Diamond, Sinomach Precision Industry, North Industries Group Corporation, SFD, Wald, Guangpu Co., Ltd. und Hengsheng Energy.

LiLiang Diamond hat angegeben, dass seine funktionalen Diamantprodukte in Bereichen wie Halbleitern, Optik, Wärmeableitung und Quanten eingesetzt werden können.

Huanghe Whirlwind hat angegeben, dass seine Technologie im Bereich der Diamant-Halbleiter noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase ist.

Wald hat angegeben, dass es sich hauptsächlich auf die Forschung von Diamant-funktionalen Materialien in Bereichen wie Werkzeuganwendung, Wärmeableitung, Optik und Elektronik konzentriert.

Eine Tochtergesellschaft von LiLiang Diamond hat ein Projekt für Diamant-Halbleiter für Hochleistungsanwendungen in der Halbleiterindustrie mit der Taiwanese Firma Jiesiao Enterprise Co., Ltd. abgeschlossen und sich der Forschung von Diamant-Materialien für die Wärmeableitung in Halbleitern gewidmet.

Guangpu Co., Ltd. hat angegeben, dass die Diamant-Wärmeableitungsplatten des von ihm investierten Unternehmens Compound Semiconductor Technologies Co., Ltd. für die Wärmeableitung von Chips verwendet werden können.

Hengsheng Energy hat angegeben, dass seine Tochtergesellschaft Huamao Technology die Forschung und Entwicklung von Diamant in der Anwendung von Halbleiterwafern aktiv vorantreiben wird.

In den Halbjahresberichten von mehreren Unternehmen für neue Materialien und Ausrüstungen im ersten Halbjahr 2025 hat Diamant zunehmend in die Forschungs- und Industrialisierungsrichtungen von mehr Unternehmen aufgenommen worden. Die drei Unternehmen Tianyue Advanced Materials, SRI New Materials und Zhishang Technology haben ihre Hauptgeschäfte in Bereichen wie Siliziumcarbid-Substraten, Kupferbasislegierungen und Ausrüstungserzeugung weiterentwickelt und gleichzeitig Forschungen im Bereich von Diamant durchgeführt. In Anbetracht der zukünftigen technologischen Trends wie Künstliche Intelligenz, optische Kommunikation, neue Energiequellen und Halbleiter wird das Potenzial von Diamant immer stärker freigesetzt.

Tianyue Advanced Materials führt derzeit Forschungen zur Einkristallzucht von Diamant mithilfe der MPCVD-Methode durch und versucht, die technologischen Engpässe bei der Herstellung von großflächigen, hochwertigen Substraten zu überwinden. Gleichzeitig verbessert es seine Verarbeitungskapazität mithilfe von Laser-Schnitt- und Schrittverarbeitungstechniken. SRI New Materials hat auch klar angegeben, dass es sich auf die Forschung und Entwicklung von Kupfer-Diamant-Materialien konzentrieren wird. Zhishang Technology hat bereits ein Halbleiter-Poliergerät