新型激光技术让金刚石半导体又近了一步

 

金刚石对于半导体行业来说是一种很有前景的材料，但将其切成薄片具有挑战性。在最近的一项研究中，千叶大学的一个研究小组开发了一种新型激光技术，可以沿最佳晶体平面切割钻石。这些发现将有助于使该材料在电动汽车的高效电力转换和高速通信技术方面具有成本效益。

这也让金刚石半导体又走进了一大步。

尽管它们具有对半导体行业有吸引力的特性，但由于缺乏有效地将它们切成薄晶圆的技术，其应用受到限制。因此，晶圆必须一张一张地合成，这使得制造成本对于大多数行业来说都过高。

现在，由千叶大学工程研究生院 Hirofumi Hidai 教授领导的日本研究小组找到了解决这个问题的方法。基于激光的切片技术用于沿着最佳晶面干净地切片钻石，生产光滑的晶圆。他们的研究由千叶大学科学与工程研究生院的硕士生 Kosuke Sakamoto 和前博士生德永大二郎共同撰写，或者现任东京工业大学助理教授。

为了防止不良裂纹在晶格上传播，研究人员开发了一种加工技术，将短激光脉冲聚焦到材料内狭窄的锥形体积上。

“集中激光照射将钻石转化为非晶碳，其密度低于钻石。因此，激光脉冲修饰的区域密度会降低，裂纹也会形成。” Hidai 教授说道。

通过将这些激光脉冲以方形网格图案照射到透明样品上，研究人员在材料内部创建了一个由容易出现裂纹的小区域组成的网格。如果网格中修改区域之间的空间和每个区域使用的激光脉冲数量是最佳的，则所有修改区域通过优先沿{100}平面传播的小裂纹相互连接。因此，只需将锋利的钨针推到样品侧面，即可轻松将具有 {100} 表面的光滑晶圆与块体的其余部分分离

 “金刚石切片能够以低成本生产高质量的晶圆，对于制造金刚石半导体器件是必不可少的。因此，这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率，”他说。

金刚石晶圆初创公司，挑战碳化硅

法国初创公司 Diamfab 正在寻求以双重商业模式利用其金刚石外延晶片来应对碳化硅器件。

根据这种新方法，该公司将直接并通过面向应用的战略合作伙伴关系和联盟销售其技术。该战略旨在实现一个可扩展的模型，结合了内部能力和扩展的合作伙伴生态系统，以设计和构建二极管、晶体管、电容器、量子传感器和高能探测器。

第一个目标市场是电动汽车电容器，金刚石半导体相对于现有电容器技术和碳化硅的优势可以减小尺寸并提高车辆整个生命周期的性能。

“我们已经申请了全金刚石电容器的专利，并正在与该领域的领先企业合作，”Diamfab 首席执行官 Gauthier Chicot 说道。“在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过 1000A/cm2 的高电流密度和大于 7.7MV/cm 的击穿电场。这些是未来设备性能的关键参数，并且已经优于 SiC 等现有材料为电力电子设备提供的参数。此外，我们有一个明确的路线图，到 2025 年实现 4 英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”

Diamfab 于 2019 年推出，是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的功劳。它开发了利用微波产生的等离子体在受控温度和压力条件下合成和掺杂金刚石外延层的IP。这会将甲烷分子裂解成碳，然后碳在钻石种子的表面上重新排列。同时，添加精确且受控数量的硼或氮以生长金刚石掺杂层并形成准备用于器件制造的高附加值晶圆。     

“过去两年，我们与研发团队合作，在加工高附加值金刚石晶片方面取得了重大进展。我们基于双重业务模式的以应用为导向的方法现在使我们能够与更广泛的工业合作伙伴合作，开发和销售高附加值金刚石晶片和我们获得专利的金刚石设备制造工艺，同时也直接向最终用户销售具有超轻模型，”Chicot 说道。

与硅相比，金刚石的电流密度高出5000倍，电压高出30倍，可以在高温和辐射的恶劣环境下工作。在汽车应用中，Diamfab 晶圆可以制造重量减轻 80%、结构更紧凑的电源转换器。在电网应用中，与硅相比，晶圆还可以更轻松地处理更高的电压，并将能量损失减少 10 倍。

“我们通过独特的控制来合成和掺杂金刚石外延层；因此，金刚石掺杂层的堆叠被生长以形成高附加值的晶圆，为设备制造做好准备。”Driche 说。

而在制造金刚石器件所需的所有工业过程中，外延层的生长是最关键的过程之一，因为大部分电气性能取决于这些有源层的质量。但与现有半导体材料相比，金刚石具有三个关键优势：热管理、成本/效率优化和二氧化碳减排。

在所有传统电源转换器中，冷却系统是一个笨重且体积庞大的部件。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率随着温度的升高而降低。但Driche 表示，虽然必须付出相当大的努力来冷却暴露在高工作温度下的 Si 或 SiC 器件，但可以简单地让金刚石在工作过程中找到稳定的状态。

据了解，金刚石半导体的应用范围覆盖了从电动汽车到具有 20 年长寿命电池的物联网，再到医疗保健中使用硬化电子元件或探测器的核和空间应用，甚至用于自动驾驶汽车的超精密量子传感器。

电动汽车是 Diamfab 的优先发展领域，该公司最近申请了电动汽车用全金刚石电容器的专利。当被问及细节时，Driche 表示，当一家工业电容器制造商表示正在寻找一种无源元件解决方案来保护二极管和晶体管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件作为有源器件时，全金刚石电容器的想法就出现了。所承受的电压峰值高于其承受能力 (>1,500 V)。

鉴于社会日益电气化，金刚石的前景一片光明，但该技术要成为工业现实，仍需克服许多障碍。

合成技术的进步使得生产具有可预测特性和一致性能的工程金刚石成为可能。第一批人造钻石于 20 世纪 50 年代采用高压和高温生产。20 世纪 80 年代，采用化学气相沉积 (CVD) 技术生产晶圆级钻石。

Chicot 表示：“近年来 CVD 合成技术取得的技术进步大大加速了该技术的发展，金刚石的时代从未如此接近。” “最近展示的高达 4 英寸的大型晶圆，以及许多研发中心和工业合作伙伴对开发二极管、晶体管和电容器日益增长的兴趣都证明了这一点。”

将晶圆直径从 0.5 英寸扩大到 4 英寸可以让 Diamfab 获得汽车市场所需的竞争力。

至于其他障碍，该初创公司认为，减少位错可以提高零部件的制造产量。Diamfab 还在探索多种途径来实现垂直组件架构，以提高电流密度。

更多金刚石半导体的参与者

早前，总部位于东京的 Orbray Co Ltd（生产精密宝石零件、直流无芯电机、光纤元件和医疗设备）和位于日本爱知县南山的汽车半导体研究公司 MIRISE Technologies Corp（一家由DENSO 和丰田于 2020 年 4 月成立的合资企业 ）已开始在垂直金刚石动力设备方面进行合作。

在该项目的三年期间，Orbray 和 MIRISE 旨在利用各自在金刚石基板和功率器件方面的技术、资源和专业知识，开发未来在各种电动汽车中部署垂直金刚石功率器件所需的技术。

在研究合作中，Orbray将负责开发p型导电金刚石基板，而MIRISE将负责开发高压操作器件结构，以验证垂直金刚石功率器件的可行性。项目结束时，两家公司计划讨论下一阶段的合作，例如进一步的研发。

今年年初，一则新闻宣布，日本佐贺大学教授 Kazuki Yosda 和日本精密零件制造商 Orbray 开发了一种由金刚石制成的功率半导体，其工作功率为每平方厘米 875 兆瓦。

据称，这款新型半导体是世界上输出功率值最高的半导体。近年来，使用金刚石的功率控制半导体的开发取得了进展，被称为终极功率半导体。

该功率半导体的输出功率预计为2090兆瓦，在所有半导体中仅次于氮化镓产品，并且是世界上现有金刚石半导体中输出功率值最大的。与下一代功率半导体氮化镓和碳化硅相比，金刚石半导体具有更优越的性能，包括耐高压和功率损耗，预计可降低至硅产品的1/50,000。

到 2050 年，金刚石功率半导体（也非常耐热和耐辐射）预计将成为人造航天器的重要组成部分。

审核编辑：刘清