“金刚石半导体”中隐藏的可能性

金刚石半导体具有优异的特性，作为功率器件材料备受期待。

金刚石半导体突然引起了人们的注意。金刚石半导体具有优异的特性，作为功率器件材料备受期待。基于对开发金刚石功率器件的法国公司 Diamfab 的采访，我们探索了金刚石半导体的隐藏潜力。

 特斯拉宣布减少 SiC 使用量

随着能源意识的提高，对具有出色效率和功率密度的大功率应用的需求正在飙升。随着硅接近其物理极限，半导体行业正在特别探索宽带隙 (WBG) 材料，例如 SiC 和 GaN，以及金刚石。

2018年，特斯拉率先在业界率先在其EV（电动汽车）“Model 3”的逆变器中采用了SiC MOSFET。这标志着 SiC 功率器件市场的开端。多年来，该公司为 SiC 市场的增长做出了重大贡献。但当该公司宣布将在其下一代动力系统中使用永磁电机，将 SiC 的使用量减少 75% 时，整个行业都感到恐慌。

特斯拉动力总成工程副总裁 Colin Campbell 在公司 2023 年 3 月的“2023 投资者日”活动上表示，“SiC 是一种很棒的半导体，但它很昂贵，而且很难规模化。减少它对我们来说是一个很大的优势”

“减少 75%”听起来可能令人担忧，但数字并不能说明全部情况。2023年3月中旬，法国市场研究公司Yole Group预测，SiC功率器件市场将以超过30%的复合年增长率（CAGR）增长，2027年将超过60亿美元。预计汽车将占据约80%的市场份额。

SiC 晶圆出货量（6 英寸等效）实际和预测，以及同比增长率 来源：Yole Group

Yole Intelligence 电力和无线部门电力电子活动团队首席分析师 Ana Villamor 表示：“我们预计未来几年不会有任何颠覆性的电力电子技术进入市场。SiC 和 GaN 等颠覆性技术仍然正在部署并正在占据传统硅市场份额的是金刚石、SiC IGBT、氧化镓等。我们还在继续开发将两者连接起来的技术。”

 金刚石是“终极宽禁带半导体材料”

其中，金刚石被证明很可能是用于大功率电子应用的最终 WBG 半导体材料。

法国 Diamfab 的联合创始人兼首席技术官 Khaled Driche 表示：“金刚石是在高压下运行的高温应用和高频开关的绝佳候选者。它的价格是 SiC 的两倍和三倍，也是 SiC 的五倍。导热性是铜的几倍，是一种非常好的散热材料。”

金刚石是一种独特的半导体。Diamfab 联合创始人兼首席执行官 Gauthier Chicot 表示：“这种优势也是一个综合障碍。这就是 Diamfab 技术的用武之地。”

Diamfab 总部位于法国格勒诺布尔，是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的一家衍生公司，是 WBG 半导体团队 (SC2G) 在 30 年前对高质量合成金刚石生长的研究CNRS Institut Nél. Development 是在研究的基础上进行的。Diamfab 项目成立于 2016 年，并于 2019 年注册成立。

“我们在专有控制下合成和掺杂金刚石外延层，”Driche 说，“这使我们能够生长金刚石掺杂层的堆栈，以形成高价值的晶圆，为设备制造做好准备。”解释说。

在制造金刚石设备所需的所有工业过程中，外延层生长是最重要的过程之一。这是因为电气性能主要取决于该有源层的质量。

从搭载金刚石电力电子设备的电动汽车、电池寿命长达 20 年的 IoT（物联网）设备、内置各种检测器的医疗保健设备，到配备超精密量子传感器的自动驾驶汽车，应用范围广泛。

 金刚石作为半导体材料的特性

与现有半导体材料相比，金刚石具有三大优势：热管理、成本效率优化和二氧化碳减排。

Driche 说：“冷却系统是任何传统电源转换器中的笨重部件。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率会随着温度的升高而降低。该设备在 150°C（电源的常见工作温度）下性能更好，而不是在室温下。暴露在高温下的 Si 或 SiC 设备冷却需要付出相当大的努力，但金刚石在操作过程中很容易达到稳定状态。”

金刚石还具有优良的散热性能。Driche 表示，“由于其较低的热损失、更好的散热能力以及在更高温度下运行的能力，使用金刚石有源器件制成的转换器比基于 Si 的解决方案快五倍，比基于 SiC 的解决方案快三倍。它可以是轻量和体积的两倍，”他补充道。

比较功率半导体材料Si/SiC/GaN/Diamond，构成最大六边形的紫色是金刚石的特征  来源：Diamfab

在设计设备和转换器时，需要在系统能效与成本、尺寸和重量之间找到权衡。Diamfab 相信金刚石可以为更节能的电动汽车的关键参数带来价值。

着眼于降低设备成本，金刚石芯片的设计成本比 SiC 芯片低 30%。这是因为金刚石可以提供与 Si 相似的电气性能和效率以及更好的热管理，从而使芯片面积比 SiC 芯片减少 50 倍。

着眼于效率，与 SiC 相比，金刚石可以将能量损失降低三倍，并且芯片可以缩小四倍，从而直接节省能源消耗。

着眼于系统体积和重量，金刚石器件通过实现更高的开关频率，与基于 SiC 的转换器相比，可以将无源元件的体积减少四倍。这种体积的减少是通过小型化散热器可以实现的目标之一。

 电动汽车中的金刚石

电动汽车是 Diamfab 的优先领域，该公司最近为电动汽车的全金刚石电容器申请了专利。当被问及更多信息时，Drich 说，“二极管和晶体管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件暴露在高于其承受能力的电压峰值（1500V 及以上），因此工业电容器制造商一直在寻找无源元件解决方案，听到这个让我想到了全金刚石电容器。”

“金刚石的最大优点之一是它可以在高温下工作，”Driche 说，这里金刚石被用作绝缘体和导体，可以降低寄生电感。

Diamfab 说：“在未来 10 年内，我们希望所有电动汽车都配备金刚石，就像我们位于格勒诺布尔的同事 Soitec 在所有采用 SOI（绝缘体上硅）芯片的智能手机中处于领先地位一样。”他说。

 Diamfab的商业模式

在价值链中，Diamfab 充当了材料和设备之间的桥梁。该公司设想了直接销售其技术的商业模式和通过面向应用的战略合作伙伴关系和联盟进行销售的商业模式。

Diamfab 最初的目标是将其高价值的金刚石晶圆和金刚石组件制造工艺出售给 IDM（垂直整合设备制造商）。另一种是通过联合开发的方式将高性能金刚石器件直接销售给终端用户。“我们使我们的金刚石晶圆可用于铸造加工，”Chicot 说。

Diamfab 目前正在与合作伙伴合作开发高性能设备，例如二极管、晶体管、电容器、量子传感器和高能探测器。

 关键是增加金刚石晶圆的直径

鉴于社会日益电气化，Diamond 的潜力大有可为，但要使该技术在商业上可行还存在许多障碍。

合成技术的进步使得生产具有可预测特性和一致性能的人造合成金刚石成为可能。第一批合成金刚石是在 1950 年代使用高压和高温生产的。在 20 世纪 80 年代，晶圆级金刚石是使用 CVD（化学气相沉积）生产的。

Chicot 说：“CVD 合成技术的最新技术进步极大地加速了金刚石技术的发展，使我们比以往任何时候都更接近金刚石半导体时代。许多研发中心和工业合作伙伴对二极管开发的示范和兴趣日益浓厚，晶体管和电容器就是证明。”

将晶圆直径从 0.5 英寸增加到 4 英寸将使 Diamfab 在汽车市场上获得所需的竞争优势。

至于其他挑战，Diamfab 认为减少错位可以提高制造产量。他们还在探索实现垂直架构以增加电流密度的方法。

Diamfab 证实，它正在与潜在投资者进行谈判，以实现其技术和业务目标。当被问及何时开始量产时，Chicot 说：“目前，我们正处于可以为公共和私人研究机构生产高附加值金刚石晶圆的阶段。通过增加数量，我们将能够继续生产。我们主要针对电动汽车市场，并计划在未来五到七年内增加产量。”

提高电动汽车的能源效率意味着减少能源消耗，但这不应以污染环境的能源密集型制造过程为代价。据Driche介绍，金刚石晶圆生产中的CO2排放量不到SiC晶圆生产中的1/20。




审核编辑：刘清