探索高功率器件材料：金剛石

在對能源日益關(guān)注的當(dāng)今世界，對具有優(yōu)越效率和功率密度的高功率應(yīng)用的需求正在激增。當(dāng)硅接近其物理極限時，半導(dǎo)體行業(yè)正在探索寬禁帶（WBG）材料，特別是硅碳化物（SiC）、氮化鎵（GaN）和稍晚一些的金剛石。

2018年，特斯拉公司首次在其Model 3汽車中使用SiC MOSFET，開啟了SiC功率器件市場。多年來，特斯拉一直是SiC市場增長的主要驅(qū)動力。然而，當(dāng)特斯拉宣布其下一代動力系統(tǒng)將使用永磁電機，從而將其SiC使用量減少75％，這讓整個行業(yè)陷入恐慌。但這個數(shù)字并不能說明全部情況。Yole Intelligence在3月中旬表示，SiC器件市場預(yù)計將以超過30%的復(fù)合年增長率增長，到2027年將達(dá)到60億美元以上，其中汽車市場預(yù)計將占80%左右的市場份額。

金剛石的特性

盡管SiC和GaN前景光明，但是金剛石可能最終成為高功率電子應(yīng)用中最終的WBG半導(dǎo)體材料。對于高電壓操作、高溫應(yīng)用或高頻開關(guān)，金剛石是理想的候選材料。金剛石展現(xiàn)出的臨界電場比Si高30倍，比SiC高3倍。它也是一個非常好的熱傳導(dǎo)體，熱導(dǎo)率是銅的5倍。

然而，金剛石是一種與眾不同的半導(dǎo)體。"它的強度的來源也是合成它的障礙，這就是Diamfab公司的重要使命," Diamfab首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人高瑟·?？铺兀℅authier Chicot）表示。Diamfab公司是一家基于法國格勒諾布爾的公司，它正在利用Institut Néél-CNRS 寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(SC2G) 30年的高品質(zhì)合成金剛石生長研究。

金剛石合成晶圓

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工程合成金剛石成為可能。第一批人造金剛石于 20 世紀(jì) 50 年代采用高壓和高溫生產(chǎn)。20 世紀(jì) 80 年代，采用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)生產(chǎn)晶圓級金剛石。金剛石的潛在應(yīng)用范圍廣泛，從使用金剛石為基礎(chǔ)的電源電子設(shè)備的電動車（EV）到具有20年電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備具有一系列集成探測器和使用超精密量子傳感器的自動駕駛車輛。

金剛石較之其他半導(dǎo)體材料提供了三個關(guān)鍵優(yōu)勢：熱管理、成本/效率優(yōu)化和二氧化碳減排。不像大多數(shù)半導(dǎo)體，金剛石的電阻率隨著溫度的升高而降低。 因此，使用金剛石的器件在150攝氏度（功率器件的典型工作溫度）的性能比室溫下的性能更好。

Diamfab公司認(rèn)為電動出行是首要部分，它最近申請了一項全部由金剛石制成的電容器專利。金剛石的絕緣和導(dǎo)電性在制成電容器時具有獨特的優(yōu)勢。

提高電動車的能源效率意味著需要減少能源消耗，但這不應(yīng)以需要大量能源且污染重的生產(chǎn)過程為代價。Driche 首席技術(shù)官稱，"制備金剛石晶圓的過程比制備SiC晶圓造成的二氧化碳排放少到20倍。SiC需要幾天的高達(dá)2,700攝氏度的高溫，而合成金剛石晶圓的CVD技術(shù)所用的溫度只有其三分之一" 。