港大初創鑽耐科思研發金剛石薄膜 有望破解AI處理器散熱難題

近年，培育金剛石在全球市場的佔有率持續攀升，不僅在珠寶首飾領域嶄露頭角，其獨特的物理特性亦使其在半導體、高功率電子等先進科技產業中備受關注，被譽為「第四代半導體材料」。香港大學電機及電子工程系副教授褚智勤創辦的鑽耐科思有限公司（DiamNEX），正致力於量產金剛石薄膜，以應對人工智能（AI）處理器及數據中心日益嚴峻的散熱挑戰，有望為電子產業帶來突破性發展。 褚智勤指出，金剛石具備多項卓越物理特性，足以超越現時普遍採用的矽和碳化矽。首先，其極高的導熱率高達2200w/mK，是銅的五倍以上，更是半導體摻雜矽的二十倍，這意味著以金剛石製成的電子元件能在極高功率下安全運作，並可大幅縮減冷卻系統的體積。其次，金剛石物理性質極其穩定，耐高温及抗輻射，使其適用於太空或核反應堆附近等嚴苛環境，無需複雜保護。再者，金剛石擁有超寬能隙（5.5 eV）和高擊穿電場，能承受遠超矽的電壓，未來有望製造出微型化、超薄且能處理數萬伏特高電壓的電力元件。此外，其高載子遷移率（電子遷移率達2200cm^2/Vs，電洞遷移率達1600cm^2/Vs）確保在高頻切換時訊號延遲極低，特別適合6G及衞星等高頻通訊應用。 業界普遍認為，若金剛石半導體元件技術能夠成熟，將為多個產業帶來革命性變革。例如，電動車的逆變器（將直流電轉變為交流電的裝置）體積有望縮小至現時的10%以下；通訊衞星可提供更高功率的高頻信號，從而提升頻寬並實現小型化；而主動相控陣雷達（AESA）的探測距離及功率亦將有質的飛躍。 然而，金剛石的大規模商業化應用目前仍面臨不少技術挑戰。現時主要限於培育直徑約2吋的金剛石晶圓，難以達到半導體產業所需的8吋或12吋大面積晶圓。同時，金剛石的原子結構緊密，難以有效摻雜磷或硼等原子以產生電流。加上其作為全球最硬物質的特性，也導致切割、拋光及蝕刻等加工成本高昂且技術難度極大。 儘管金剛石半導體元件的全面普及尚需時日，褚智勤指出，將金剛石薄膜用作散熱片是最具潛力的快速應用之一，可輔助AI處理器及鋰電池等高效散熱。特別是Nvidia（英偉達）等公司的GPU性能及功率不斷提升，傳統銅製散熱片已逼近性能極限，而金剛石薄膜憑藉其超卓的導熱能力，有望打破這一瓶頸，顯著加快熱量傳導。 在實際應用中，若成本允許，散熱器的底座和鰭片均可採用金剛石製造；為平衡成本與效能，亦可選用金剛石薄膜作為底座，搭配銅製鰭片，類似現有銅底鋁鰭散熱片的模式，兼顧導熱效率與經濟性。 鑽耐科思經過數年研發，現已成功製備出厚度不足1微米、直徑2吋至4吋、表面超平坦、柔韌且可彎曲的金剛石薄膜。褚智勤解釋，該公司在普遍使用的「化學氣相沉積」（CVD）技術基礎上進行創新，研發出一套獨特的剝離技術，使得金剛石薄膜可實現極纖薄且易於剝離，省卻傳統的切割、刻蝕及拋光等高成本工序，大幅提升生產速度及良率。目前，該公司已能生產2吋直徑原子級超平坦的金剛石薄膜，並計劃於2028年實現8吋直徑超平坦金剛石薄膜的量產。 據悉，鑽耐科思正於深圳前海籌備佔地2000方呎的廠房，並已訂購三部國產CVD設備。公司計劃今年稍後啟動金剛石薄膜樣本的量產，並交付予各行各業的潛在客户進行試用，應用範圍涵蓋散熱等關鍵領域。市場消息指，AI處理器、數據中心及電動車製造商等將成為首批應用該公司金剛石薄膜的業者，而軟性電子裝置和穿戴式設備亦具廣闊的應用潛力。