探索高功率器件材料：金刚石

在对能源日益关注的当今世界，对具有优越效率和功率密度的高功率应用的需求正在激增。当硅接近其物理极限时，半导体行业正在探索宽禁带（WBG）材料，特别是硅碳化物（SiC）、氮化镓（GaN）和稍晚一些的金刚石。
 

 

2018年，特斯拉公司首次在其Model 3汽车中使用SiC MOSFET，开启了SiC功率器件市场。多年来，特斯拉一直是SiC市场增长的主要驱动力。然而，当特斯拉宣布其下一代动力系统将使用永磁电机，从而将其SiC使用量减少75％，这让整个行业陷入恐慌。但这个数字并不能说明全部情况。Yole Intelligence在3月中旬表示，SiC器件市场预计将以超过30%的复合年增长率增长，到2027年将达到60亿美元以上，其中汽车市场预计将占80%左右的市场份额。

 

金刚石的特性

 

尽管SiC和GaN前景光明，但是金刚石可能最终成为高功率电子应用中最终的WBG半导体材料。对于高电压操作、高温应用或高频开关，金刚石是理想的候选材料。金刚石展现出的临界电场比Si高30倍，比SiC高3倍。它也是一个非常好的热传导体，热导率是铜的5倍。

 

 

然而，金刚石是一种与众不同的半导体。"它的强度的来源也是合成它的障碍，这就是Diamfab公司的重要使命," Diamfab首席执行官和联合创始人高瑟·希科特（Gauthier Chicot）表示。Diamfab公司是一家基于法国格勒诺布尔的公司，它正在利用Institut Néél-CNRS 宽禁带半导体团队(SC2G) 30年的高品质合成金刚石生长研究。

 

金刚石合成晶圆

 

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合成金刚石成为可能。第一批人造金刚石于 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) 技术生产晶圆级金刚石。金刚石的潜在应用范围广泛，从使用金刚石为基础的电源电子设备的电动车（EV）到具有20年电池寿命的物联网（IoT）设备，医疗设备具有一系列集成探测器和使用超精密量子传感器的自动驾驶车辆。

 

 

金刚石较之其他半导体材料提供了三个关键优势：热管理、成本/效率优化和二氧化碳减排。不像大多数半导体，金刚石的电阻率随着温度的升高而降低。 因此，使用金刚石的器件在150摄氏度（功率器件的典型工作温度）的性能比室温下的性能更好。

 

Diamfab公司认为电动出行是首要部分，它最近申请了一项全部由金刚石制成的电容器专利。金刚石的绝缘和导电性在制成电容器时具有独特的优势。

 

提高电动车的能源效率意味着需要减少能源消耗，但这不应以需要大量能源且污染重的生产过程为代价。Driche 首席技术官称，"制备金刚石晶圆的过程比制备SiC晶圆造成的二氧化碳排放少到20倍。SiC需要几天的高达2,700摄氏度的高温，而合成金刚石晶圆的CVD技术所用的温度只有其三分之一" 。