金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)異的特性，作為功率器件材料備受期待。

金剛石半導(dǎo)體突然引起了人們的注意。金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)異的特性，作為功率器件材料備受期待。基于對開發(fā)金剛石功率器件的法國公司 Diamfab 的采訪，我們探索了金剛石半導(dǎo)體的隱藏潛力。

特斯拉宣布減少 SiC 使用量

隨著能源意識的提高，對具有出色效率和功率密度的大功率應(yīng)用的需求正在飆升。隨著硅接近其物理極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在特別探索寬帶隙 (WBG) 材料，例如 SiC 和 GaN，以及金剛石。

2018年，特斯拉率先在業(yè)界率先在其EV（電動汽車）“Model 3”的逆變器中采用了SiC MOSFET。這標(biāo)志著 SiC 功率器件市場的開端。多年來，該公司為 SiC 市場的增長做出了重大貢獻(xiàn)。但當(dāng)該公司宣布將在其下一代動力系統(tǒng)中使用永磁電機(jī)，將 SiC 的使用量減少 75% 時，整個行業(yè)都感到恐慌。

特斯拉動力總成工程副總裁 Colin Campbell 在公司 2023 年 3 月的“2023 投資者日”活動上表示，“SiC 是一種很棒的半導(dǎo)體，但它很昂貴，而且很難規(guī)模化。減少它對我們來說是一個很大的優(yōu)勢”

“減少 75%”聽起來可能令人擔(dān)憂，但數(shù)字并不能說明全部情況。2023年3月中旬，法國市場研究公司Yole Group預(yù)測，SiC功率器件市場將以超過30%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，2027年將超過60億美元。預(yù)計汽車將占據(jù)約80%的市場份額。

SiC 晶圓出貨量（6 英寸等效）實際和預(yù)測，以及同比增長率來源：Yole Group

Yole Intelligence 電力和無線部門電力電子活動團(tuán)隊首席分析師 Ana Villamor 表示：“我們預(yù)計未來幾年不會有任何顛覆性的電力電子技術(shù)進(jìn)入市場。SiC 和 GaN 等顛覆性技術(shù)仍然正在部署并正在占據(jù)傳統(tǒng)硅市場份額的是金剛石、SiC IGBT、氧化鎵等。我們還在繼續(xù)開發(fā)將兩者連接起來的技術(shù)。”

金剛石是“終極寬禁帶半導(dǎo)體材料”

其中，金剛石被證明很可能是用于大功率電子應(yīng)用的最終 WBG 半導(dǎo)體材料。

法國 Diamfab 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Khaled Driche 表示：“金剛石是在高壓下運行的高溫應(yīng)用和高頻開關(guān)的絕佳候選者。它的價格是 SiC 的兩倍和三倍，也是 SiC 的五倍。導(dǎo)熱性是銅的幾倍，是一種非常好的散熱材料。”

金剛石是一種獨特的半導(dǎo)體。Diamfab 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Gauthier Chicot 表示：“這種優(yōu)勢也是一個綜合障礙。這就是 Diamfab 技術(shù)的用武之地。”

Diamfab 總部位于法國格勒諾布爾，是法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的一家衍生公司，是 WBG 半導(dǎo)體團(tuán)隊 (SC2G) 在 30 年前對高質(zhì)量合成金剛石生長的研究CNRS Institut Nél. Development 是在研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。Diamfab 項目成立于 2016 年，并于 2019 年注冊成立。

“我們在專有控制下合成和摻雜金剛石外延層，”Driche 說，“這使我們能夠生長金剛石摻雜層的堆棧，以形成高價值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備。”解釋說。

在制造金剛石設(shè)備所需的所有工業(yè)過程中，外延層生長是最重要的過程之一。這是因為電氣性能主要取決于該有源層的質(zhì)量。

從搭載金剛石電力電子設(shè)備的電動汽車、電池壽命長達(dá) 20 年的 IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備、內(nèi)置各種檢測器的醫(yī)療保健設(shè)備，到配備超精密量子傳感器的自動駕駛汽車，應(yīng)用范圍廣泛。

金剛石作為半導(dǎo)體材料的特性

與現(xiàn)有半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有三大優(yōu)勢：熱管理、成本效率優(yōu)化和二氧化碳減排。

Driche 說：“冷卻系統(tǒng)是任何傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器中的笨重部件。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率會隨著溫度的升高而降低。該設(shè)備在 150°C（電源的常見工作溫度）下性能更好，而不是在室溫下。暴露在高溫下的 Si 或 SiC 設(shè)備冷卻需要付出相當(dāng)大的努力，但金剛石在操作過程中很容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。”

金剛石還具有優(yōu)良的散熱性能。Driche 表示，“由于其較低的熱損失、更好的散熱能力以及在更高溫度下運行的能力，使用金剛石有源器件制成的轉(zhuǎn)換器比基于 Si 的解決方案快五倍，比基于 SiC 的解決方案快三倍。它可以是輕量和體積的兩倍，”他補(bǔ)充道。

比較功率半導(dǎo)體材料Si/SiC/GaN/Diamond，構(gòu)成最大六邊形的紫色是金剛石的特征來源：Diamfab

在設(shè)計設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時，需要在系統(tǒng)能效與成本、尺寸和重量之間找到權(quán)衡。Diamfab 相信金剛石可以為更節(jié)能的電動汽車的關(guān)鍵參數(shù)帶來價值。

著眼于降低設(shè)備成本，金剛石芯片的設(shè)計成本比 SiC 芯片低 30%。這是因為金剛石可以提供與 Si 相似的電氣性能和效率以及更好的熱管理，從而使芯片面積比 SiC 芯片減少 50 倍。

著眼于效率，與 SiC 相比，金剛石可以將能量損失降低三倍，并且芯片可以縮小四倍，從而直接節(jié)省能源消耗。

著眼于系統(tǒng)體積和重量，金剛石器件通過實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，與基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器相比，可以將無源元件的體積減少四倍。這種體積的減少是通過小型化散熱器可以實現(xiàn)的目標(biāo)之一。

電動汽車中的金剛石

電動汽車是 Diamfab 的優(yōu)先領(lǐng)域，該公司最近為電動汽車的全金剛石電容器申請了專利。當(dāng)被問及更多信息時，Drich 說，“二極管和晶體管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件暴露在高于其承受能力的電壓峰值（1500V 及以上），因此工業(yè)電容器制造商一直在尋找無源元件解決方案，聽到這個讓我想到了全金剛石電容器。”

“金剛石的最大優(yōu)點之一是它可以在高溫下工作，”Driche 說，這里金剛石被用作絕緣體和導(dǎo)體，可以降低寄生電感。

Diamfab 說：“在未來 10 年內(nèi)，我們希望所有電動汽車都配備金剛石，就像我們位于格勒諾布爾的同事 Soitec 在所有采用 SOI（絕緣體上硅）芯片的智能手機(jī)中處于領(lǐng)先地位一樣。”他說。

Diamfab的商業(yè)模式

在價值鏈中，Diamfab 充當(dāng)了材料和設(shè)備之間的橋梁。該公司設(shè)想了直接銷售其技術(shù)的商業(yè)模式和通過面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟進(jìn)行銷售的商業(yè)模式。

Diamfab 最初的目標(biāo)是將其高價值的金剛石晶圓和金剛石組件制造工藝出售給 IDM（垂直整合設(shè)備制造商）。另一種是通過聯(lián)合開發(fā)的方式將高性能金剛石器件直接銷售給終端用戶。“我們使我們的金剛石晶圓可用于鑄造加工，”Chicot 說。

Diamfab 目前正在與合作伙伴合作開發(fā)高性能設(shè)備，例如二極管、晶體管、電容器、量子傳感器和高能探測器。

關(guān)鍵是增加金剛石晶圓的直徑

鑒于社會日益電氣化，Diamond 的潛力大有可為，但要使該技術(shù)在商業(yè)上可行還存在許多障礙。

合成技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)具有可預(yù)測特性和一致性能的人造合成金剛石成為可能。第一批合成金剛石是在 1950 年代使用高壓和高溫生產(chǎn)的。在 20 世紀(jì) 80 年代，晶圓級金剛石是使用 CVD（化學(xué)氣相沉積）生產(chǎn)的。

Chicot 說：“CVD 合成技術(shù)的最新技術(shù)進(jìn)步極大地加速了金剛石技術(shù)的發(fā)展，使我們比以往任何時候都更接近金剛石半導(dǎo)體時代。許多研發(fā)中心和工業(yè)合作伙伴對二極管開發(fā)的示范和興趣日益濃厚，晶體管和電容器就是證明。”

將晶圓直徑從 0.5 英寸增加到 4 英寸將使 Diamfab 在汽車市場上獲得所需的競爭優(yōu)勢。

至于其他挑戰(zhàn)，Diamfab 認(rèn)為減少錯位可以提高制造產(chǎn)量。他們還在探索實現(xiàn)垂直架構(gòu)以增加電流密度的方法。

Diamfab 證實，它正在與潛在投資者進(jìn)行談判，以實現(xiàn)其技術(shù)和業(yè)務(wù)目標(biāo)。當(dāng)被問及何時開始量產(chǎn)時，Chicot 說：“目前，我們正處于可以為公共和私人研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)高附加值金剛石晶圓的階段。通過增加數(shù)量，我們將能夠繼續(xù)生產(chǎn)。我們主要針對電動汽車市場，并計劃在未來五到七年內(nèi)增加產(chǎn)量。”

提高電動汽車的能源效率意味著減少能源消耗，但這不應(yīng)以污染環(huán)境的能源密集型制造過程為代價。據(jù)Driche介紹，金剛石晶圓生產(chǎn)中的CO2排放量不到SiC晶圓生產(chǎn)中的1/20。




審核編輯：劉清