钻石在高功率器件中大放异彩

　　在能源意识日益增强的世界中，对具有卓越效率和功率密度的高功率应用的需求正在蓬勃发展。随着硅接近其物理极限，半导体行业正在探索宽带隙 (WBG) 材料，特别是碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 以及未来更远的金刚石。
　　特斯拉于 2018 年开启了 SiC 功率器件市场，成为第一家在 Model 3 中使用SiC MOSFET 的汽车制造商。多年来，特斯拉一直是 SiC 市场增长的主要贡献者。但在特斯拉宣布其下一代动力系统将使用永磁电机、将碳化硅的使用量减少 75% 后，业界陷入恐慌。
　　“碳化硅是一种令人惊叹的半导体，但它也很昂贵，而且很难规模化。因此，减少使用对我们来说是一个巨大的胜利。”特斯拉动力总成工程副总裁科林·坎贝尔 (Colin Campbell) 3 月 1 日在特斯拉 2023 年投资者日活动上表示。
　　75% 的减少似乎令人担忧，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。
　　“我们估计，未来几年不会有颠覆性的电力电子技术进入市场，因为上一次重大颠覆——碳化硅和氮化镓的出现——仍在上演，并正在抢占传统硅市场的份额， 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。“尽管如此，一些正在开发的技术将在长期内取得成果，例如金刚石、SiC IGBT 和氧化镓。”
　　SiC 和GaN有着光明的未来，但金刚石很可能被证明是高功率电子应用的终极宽带隙半导体材料。
　　Diamfab 联合创始人兼首席技术官 Khaled Driche 表示：“Diamond 是高压操作、高温应用或高频开关的完美选择。” “金刚石的临界电场比 Si 高 30 倍，比 SiC 高 3 倍。它也是一种非常好的散热器，导热系数比铜高 5 倍。”
　　然而，金刚石是一种与众不同的半导体。Diamfab 首席执行官兼联合创始人 Gauthier Chicot 表示：“它的优势所在也是合成它的一个障碍，这就是 Diamfab 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) 的附属机构，以 Néél-CNRS 宽带隙研究所 30 年来对高质量合成金刚石生长的研究为基础半导体团队（SC2G）。Diamfab 项目成立于 2016 年，该初创公司于 2019 年注册成立。
　　“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。
　　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。
　　潜在的应用范围涵盖从采用基于金刚石的电力电子器件的电动汽车 (EV) 到具有 20 年电池寿命的物联网设备、具有一系列集成探测器的医疗保健设备以及具有超精密量子传感器的自动驾驶汽车。
　　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。因此，由该材料制成的器件在 150 摄氏度（功率器件的典型工作温度）下比在室温下性能更好。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。
　　金刚石也是良好的散热器。凭借更少的耗散损耗、更好的散热能力以及在高温下运行的能力，由金刚石有源器件制成的转换器比基于 Si 的解决方案轻 5 倍，体积小 5 倍，比基于SiC的解决方案轻 3 倍，体积小 3 倍，德里奇补充道。
　　在设计设备和转换器时，必须在系统的能源效率与其成本、尺寸和重量之间找到权衡。Diamond 也不例外，但 Diamfab 相信 Diamond 可以为更节能的电动汽车的关键参数带来价值。
　　如果重点是降低器件成本，则可以设计出比 SiC 模具便宜 30% 的金刚石模具，因为在相同电气性能下，金刚石模具比同等 SiC 模具消耗的金刚石面积少 50 倍和效率，但具有更好的热管理。
　　如果重点关注效率，与 SiC 相比，金刚石可以将能量损失减少三倍，并且模具尺寸缩小多达 4 倍，从而直接节省能源消耗。
　　如果重点是系统体积和重量，通过允许增加开关频率，与基于 SiC 的转换器相比，金刚石器件可以将无源元件的体积减少四倍。这种体积减小加上较小的散热器所允许的体积减小。
　　鉴于社会日益电气化，钻石的前景一片光明，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合成钻石成为可能。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。
　　该公司承认，Diamfab 正在与潜在投资者进行谈判，以实现其技术和业务目标。Chicot 表示，第一轮 300 万欧元（约合 330 万美元）的种子轮股权投资正在进行中，用于安装试验线工厂，这将使开发可重复的产品准备好进行加工并进行大规模生产成为可能。
　　当被问及 Diamfab 预计何时进入批量生产时，首席执行官表示：“今天，我们能够为公共和私人研究实验室生产高附加值的金刚石晶片。收购我们的机器和试点基地后，我们将能够通过增加产量和营业额来继续生产。我们的目标是在未来五到七年内增加产量，主要是为了应对电动汽车市场。”
　　提高电动汽车的能源效率意味着减少能源消耗，但这不应以牺牲能源密集型和污染性的制造过程为代价。Driche 表示，与 SiC 晶圆生产相比，金刚石晶圆的生产“二氧化碳排放量减少了 20 倍”。
　　“SiC 需要非常高的温度，高达 2,700 摄氏度，持续数天，而用于合成金刚石晶片的 CVD 技术的温度要低 3 倍，”他说。“考虑到金刚石材料[表面积要求]较低，并且与电动汽车相关，用于功率元件的半导体材料的二氧化碳足迹可以用金刚石除以高达 1,000 。”