“金剛石半導(dǎo)體”中隱藏的可能性

金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)異的特性，作為功率器件材料備受期待。

金剛石半導(dǎo)體突然引起了人們的注意。金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)異的特性，作為功率器件材料備受期待。基于對開發(fā)金剛石功率器件的法國公司 Diamfab 的采訪，我們探索了金剛石半導(dǎo)體的隱藏潛力。

特斯拉宣布減少 SiC 使用量

隨著能源意識的提高，對具有出色效率和功率密度的大功率應(yīng)用的需求正在飆升。隨著硅接近其物理極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在特別探索寬帶隙 (WBG) 材料，例如 SiC 和 GaN，以及金剛石。

2018年，特斯拉率先在業(yè)界率先在其EV（電動汽車）“Model 3”的逆變器中采用了SiC MOSFET。這標(biāo)志著 SiC 功率器件市場的開端。多年來，該公司為 SiC 市場的增長做出了重大貢獻(xiàn)。但當(dāng)該公司宣布將在其下一代動力系統(tǒng)中使用永磁電機(jī)，將 SiC 的使用量減少 75% 時，整個行業(yè)都感到恐慌。

特斯拉動力總成工程副總裁 Colin Campbell 在公司 2023 年 3 月的“2023 投資者日”活動上表示，“SiC 是一種很棒的半導(dǎo)體，但它很昂貴，而且很難規(guī)?；?。減少它對我們來說是一個很大的優(yōu)勢”

“減少 75%”聽起來可能令人擔(dān)憂，但數(shù)字并不能說明全部情況。2023年3月中旬，法國市場研究公司Yole Group預(yù)測，SiC功率器件市場將以超過30%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，2027年將超過60億美元。預(yù)計(jì)汽車將占據(jù)約80%的市場份額。

SiC 晶圓出貨量（6 英寸等效）實(shí)際和預(yù)測，以及同比增長率來源：Yole Group

Yole Intelligence 電力和無線部門電力電子活動團(tuán)隊(duì)首席分析師 Ana Villamor 表示：“我們預(yù)計(jì)未來幾年不會有任何顛覆性的電力電子技術(shù)進(jìn)入市場。SiC 和 GaN 等顛覆性技術(shù)仍然正在部署并正在占據(jù)傳統(tǒng)硅市場份額的是金剛石、SiC IGBT、氧化鎵等。我們還在繼續(xù)開發(fā)將兩者連接起來的技術(shù)?！?br />
金剛石是“終極寬禁帶半導(dǎo)體材料”

其中，金剛石被證明很可能是用于大功率電子應(yīng)用的最終 WBG 半導(dǎo)體材料。

法國 Diamfab 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Khaled Driche 表示：“金剛石是在高壓下運(yùn)行的高溫應(yīng)用和高頻開關(guān)的絕佳候選者。它的價格是 SiC 的兩倍和三倍，也是 SiC 的五倍。導(dǎo)熱性是銅的幾倍，是一種非常好的散熱材料?！?/p>

金剛石是一種獨(dú)特的半導(dǎo)體。Diamfab 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Gauthier Chicot 表示：“這種優(yōu)勢也是一個綜合障礙。這就是 Diamfab 技術(shù)的用武之地?！?/p>

Diamfab 總部位于法國格勒諾布爾，是法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的一家衍生公司，是 WBG 半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì) (SC2G) 在 30 年前對高質(zhì)量合成金剛石生長的研究CNRS Institut Nél. Development 是在研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。Diamfab 項(xiàng)目成立于 2016 年，并于 2019 年注冊成立。

“我們在專有控制下合成和摻雜金剛石外延層，”Driche 說，“這使我們能夠生長金剛石摻雜層的堆棧，以形成高價值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備?！苯忉屨f。

在制造金剛石設(shè)備所需的所有工業(yè)過程中，外延層生長是最重要的過程之一。這是因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣性能主要取決于該有源層的質(zhì)量。

從搭載金剛石電力電子設(shè)備的電動汽車、電池壽命長達(dá) 20 年的 IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備、內(nèi)置各種檢測器的醫(yī)療保健設(shè)備，到配備超精密量子傳感器的自動駕駛汽車，應(yīng)用范圍廣泛。

金剛石作為半導(dǎo)體材料的特性

與現(xiàn)有半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有三大優(yōu)勢：熱管理、成本效率優(yōu)化和二氧化碳減排。

Driche 說：“冷卻系統(tǒng)是任何傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器中的笨重部件。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率會隨著溫度的升高而降低。該設(shè)備在 150°C（電源的常見工作溫度）下性能更好，而不是在室溫下。暴露在高溫下的 Si 或 SiC 設(shè)備冷卻需要付出相當(dāng)大的努力，但金剛石在操作過程中很容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?！?/p>

金剛石還具有優(yōu)良的散熱性能。Driche 表示，“由于其較低的熱損失、更好的散熱能力以及在更高溫度下運(yùn)行的能力，使用金剛石有源器件制成的轉(zhuǎn)換器比基于 Si 的解決方案快五倍，比基于 SiC 的解決方案快三倍。它可以是輕量和體積的兩倍，”他補(bǔ)充道。

比較功率半導(dǎo)體材料Si/SiC/GaN/Diamond，構(gòu)成最大六邊形的紫色是金剛石的特征來源：Diamfab

在設(shè)計(jì)設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時，需要在系統(tǒng)能效與成本、尺寸和重量之間找到權(quán)衡。Diamfab 相信金剛石可以為更節(jié)能的電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)帶來價值。

著眼于降低設(shè)備成本，金剛石芯片的設(shè)計(jì)成本比 SiC 芯片低 30%。這是因?yàn)榻饎偸梢蕴峁┡c Si 相似的電氣性能和效率以及更好的熱管理，從而使芯片面積比 SiC 芯片減少 50 倍。

著眼于效率，與 SiC 相比，金剛石可以將能量損失降低三倍，并且芯片可以縮小四倍，從而直接節(jié)省能源消耗。

著眼于系統(tǒng)體積和重量，金剛石器件通過實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，與基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器相比，可以將無源元件的體積減少四倍。這種體積的減少是通過小型化散熱器可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一。

電動汽車中的金剛石

電動汽車是 Diamfab 的優(yōu)先領(lǐng)域，該公司最近為電動汽車的全金剛石電容器申請了專利。當(dāng)被問及更多信息時，Drich 說，“二極管和晶體管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件暴露在高于其承受能力的電壓峰值（1500V 及以上），因此工業(yè)電容器制造商一直在尋找無源元件解決方案，聽到這個讓我想到了全金剛石電容器。”

“金剛石的最大優(yōu)點(diǎn)之一是它可以在高溫下工作，”Driche 說，這里金剛石被用作絕緣體和導(dǎo)體，可以降低寄生電感。

Diamfab 說：“在未來 10 年內(nèi)，我們希望所有電動汽車都配備金剛石，就像我們位于格勒諾布爾的同事 Soitec 在所有采用 SOI（絕緣體上硅）芯片的智能手機(jī)中處于領(lǐng)先地位一樣?！彼f。

Diamfab的商業(yè)模式

在價值鏈中，Diamfab 充當(dāng)了材料和設(shè)備之間的橋梁。該公司設(shè)想了直接銷售其技術(shù)的商業(yè)模式和通過面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟進(jìn)行銷售的商業(yè)模式。

Diamfab 最初的目標(biāo)是將其高價值的金剛石晶圓和金剛石組件制造工藝出售給 IDM（垂直整合設(shè)備制造商）。另一種是通過聯(lián)合開發(fā)的方式將高性能金剛石器件直接銷售給終端用戶。“我們使我們的金剛石晶圓可用于鑄造加工，”Chicot 說。

Diamfab 目前正在與合作伙伴合作開發(fā)高性能設(shè)備，例如二極管、晶體管、電容器、量子傳感器和高能探測器。

關(guān)鍵是增加金剛石晶圓的直徑

鑒于社會日益電氣化，Diamond 的潛力大有可為，但要使該技術(shù)在商業(yè)上可行還存在許多障礙。

合成技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)具有可預(yù)測特性和一致性能的人造合成金剛石成為可能。第一批合成金剛石是在 1950 年代使用高壓和高溫生產(chǎn)的。在 20 世紀(jì) 80 年代，晶圓級金剛石是使用 CVD（化學(xué)氣相沉積）生產(chǎn)的。

Chicot 說：“CVD 合成技術(shù)的最新技術(shù)進(jìn)步極大地加速了金剛石技術(shù)的發(fā)展，使我們比以往任何時候都更接近金剛石半導(dǎo)體時代。許多研發(fā)中心和工業(yè)合作伙伴對二極管開發(fā)的示范和興趣日益濃厚，晶體管和電容器就是證明?！?/p>

將晶圓直徑從 0.5 英寸增加到 4 英寸將使 Diamfab 在汽車市場上獲得所需的競爭優(yōu)勢。

至于其他挑戰(zhàn)，Diamfab 認(rèn)為減少錯位可以提高制造產(chǎn)量。他們還在探索實(shí)現(xiàn)垂直架構(gòu)以增加電流密度的方法。

Diamfab 證實(shí)，它正在與潛在投資者進(jìn)行談判，以實(shí)現(xiàn)其技術(shù)和業(yè)務(wù)目標(biāo)。當(dāng)被問及何時開始量產(chǎn)時，Chicot 說：“目前，我們正處于可以為公共和私人研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)高附加值金剛石晶圓的階段。通過增加數(shù)量，我們將能夠繼續(xù)生產(chǎn)。我們主要針對電動汽車市場，并計(jì)劃在未來五到七年內(nèi)增加產(chǎn)量?！?/p>

提高電動汽車的能源效率意味著減少能源消耗，但這不應(yīng)以污染環(huán)境的能源密集型制造過程為代價。據(jù)Driche介紹，金剛石晶圓生產(chǎn)中的CO2排放量不到SiC晶圓生產(chǎn)中的1/20。




審核編輯：劉清