探索高功率器件材料：金剛石

在對能源日益關注的當今世界，對具有優(yōu)越效率和功率密度的高功率應用的需求正在激增。當硅接近其物理極限時，半導體行業(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市場增長的主要驅動力。然而，當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器件市場預計將以超過30%的復合年增長率增長，到2027年將達到60億美元以上，其中汽車市場預計將占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用中最終的WBG半導體材料。對于高電壓操作、高溫應用或高頻開關，金剛石是理想的候選材料。金剛石展現出的臨界電場比Si高30倍，比SiC高3倍。它也是一個非常好的熱傳導體，熱導率是銅的5倍。

然而，金剛石是一種與眾不同的半導體。"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 寬禁帶半導體團隊(SC2G) 30年的高品質合成金剛石生長研究。

金剛石合成晶圓

合成技術的進步使得生產具有可預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 50 年代采用高壓和高溫生產。20 世紀 80 年代，采用化學氣相沉積 (CVD) 技術生產晶圓級金剛石。金剛石的潛在應用范圍廣泛，從使用金剛石為基礎的電源電子設備的電動車（EV）到具有20年電池壽命的物聯(lián)網（IoT）設備，醫(yī)療設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體材料提供了三個關鍵優(yōu)勢：熱管理、成本/效率優(yōu)化和二氧化碳減排。不像大多數半導體，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，但這不應以需要大量能源且污染重的生產過程為代價。Driche 首席技術官稱，"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2,700攝氏度的高溫，而合成金剛石晶圓的CVD技術所用的溫度只有其三分之一" 。