2023-11-18
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在能源意識日益增強的世界中，對具有卓越效率和功率密度的高功率應(yīng)用的需求正在蓬勃發(fā)展。隨著硅接近其物理極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在探索寬帶隙（WBG）材料，特別是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）以及更遠(yuǎn)的未來金剛石。
特斯拉于 2018 年啟動了 SiC 功率器件市場，成為第一家在其 Model 3 中使用 SiC MOSFET 的汽車制造商。多年來，特斯拉一直是碳化硅市場增長的主要貢獻(xiàn)者。但在特斯拉宣布其下一代動力總成將使 用永磁電機后，該行業(yè)陷入了恐慌，該電機將減少75%的碳化硅使用量。
“碳化硅是一種了不起的半導(dǎo)體，但它也很昂貴，而且很難擴大規(guī)模。因此，減少使用對我們來說是一個巨大的勝利，“特斯拉動力總成工程副總裁科林·坎貝爾（Colin Campbell）于3月1日在特斯拉2023年投資者日活動上表示。我們估計未來幾年不會有顛覆性的電力電子技術(shù)進(jìn)入市場，因為上一次重大顛覆——SiC 和 GaN 的出現(xiàn)——仍在發(fā)揮作用，并正在搶占傳統(tǒng)硅市場的份額， Yole Intelligence 電力和無線部門的電力電子活動團(tuán)隊首席分析師 Ana Villamor 說。“盡管如此，一些正在開發(fā)的技術(shù)將在長期內(nèi)取得成果，例如金剛石、SiC IGBT 和氧化鎵。”
SiC 和 GaN 有著光明的未來，但金剛石很可能被證明是用于高功率電子應(yīng)用的最終 WBG 半導(dǎo)體材料。“金剛石是高壓操作、高溫應(yīng)用或高頻開關(guān)的理想選擇，”Diamfab 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Khaled Driche 說。“金剛石的臨界電場比 Si 高 30 倍，比 SiC 高 3 倍。它也是一種非常好的散熱器，導(dǎo)熱系數(shù)比銅高 5 倍。”
然而金剛石是一種與眾不同的半導(dǎo)體。Diamfab 首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Gauthier Chicot 說：“它的優(yōu)勢也是合成它的障礙，這就是 Diamfab 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) 的衍生公司，其基礎(chǔ)是法國國家科學(xué)研究中心 (Institut Néél-CNRS) 對高質(zhì)量合成金剛石生長 30 年的寬帶隙研究半導(dǎo)體團(tuán)隊 (SC2G)。Diamfab 項目成立于 2016 年，于 2019 年注冊成立。我們通過獨特的控制合成和摻雜金剛石外延層；因此生長金剛石摻雜層的堆疊以形成高附加值晶圓，為器件制造做好準(zhǔn)備，Driche 說。
在制造金剛石器件所需的所有工業(yè)過程中，外延層的生長是最關(guān)鍵的過程之一，因為大部分電氣性能取決于這些有源層的質(zhì)量。潛在應(yīng)用范圍從配備基于金剛石的電力電子設(shè)備的電動汽車 (EV) 到電池壽命為 20 年的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、配備一系列集成檢測器的醫(yī)療保健設(shè)備以及配備超精密量子傳感器的自動駕駛汽車。
提高電源效率 ，與現(xiàn)有半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有三大主要優(yōu)勢：熱管理、成本（效率優(yōu)化）和二氧化碳減排。
冷卻系統(tǒng)是所有傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器中的笨重部件。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率隨溫度升高而降低。因此，用這種材料制成的設(shè)備在 150 攝氏度（功率設(shè)備的典型工作溫度）下的性能優(yōu)于室溫。Driche 說，雖然必須付出相當(dāng)大的努力來冷卻暴露在高工作溫度下的 Si 或 SiC 設(shè)備，但可以簡單地讓金剛石在工作期間找到穩(wěn)定狀態(tài)。金剛石也是很好的散熱體。憑借更少的耗散損耗、更好的散熱能力和在高溫下運行的能力，由金剛石有源器件制成的轉(zhuǎn)換器比基于 Si 的解決方案輕 5 倍，比基于 SiC 的解決方案輕 3 倍，Driche補充道。在設(shè)計設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時，必須在系統(tǒng)的能效與其成本、尺寸和重量之間找到權(quán)衡。Diamond 也不例外，但 Diamfab 相信鉆石可以為關(guān)鍵參數(shù)帶來價值，以實現(xiàn)更節(jié)能的電動汽車。如果重點是降低器件成本，則有可能設(shè)計出比 SiC 芯片便宜 30% 的金剛石芯片，因為在相同的電氣性能和效率下，金剛石芯片比同等的 SiC 芯片消耗的金剛石面積要少 50倍，且具有更好的熱管理性。如果重點是效率，與 SiC 相比，金剛石可以將能量損失減少三倍，芯片尺寸縮小 4 倍，從而直接節(jié)省能源消耗。I如果重點是系統(tǒng)體積和重量，通過允許增加開關(guān)頻率，與基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器相比，金剛石器件可以將無源元件的體積減少四分之一 。這種體積減少被添加到較小的散熱器所允許的體積減少中。
每輛電動汽車中的金剛石：電動汽車是 Diamfab 的優(yōu)先領(lǐng)域，它最近申請了用于電動汽車的全金剛石電容器的專利。當(dāng)被問及細(xì)節(jié)時，Driche 說全金剛石電容器的想法是在一家工業(yè)電容器制造商表示正在尋找一種無源元件解決方案來保護(hù)二極管和晶體管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件時出現(xiàn)的，因為有源器件承受的電壓峰值高于其承受能力 (>1,500 V)。金剛石的最大優(yōu)勢之一是它能夠在高溫下工作。因此，全金剛石電容器可以放置得更靠近其他組件——這對于傳統(tǒng)電容器來說是不可能的——而且我們可以使用金剛石電容器減少寄生電感，”Driche 說。在這里，金剛石被用作絕緣體和導(dǎo)體。Diamfab 表示，它預(yù)計在十年內(nèi)所有電動汽車中都會出現(xiàn)金剛石，就像其位于格勒諾布爾的鄰居 Soitec 推動絕緣體上硅在每部智能手機中的地位一樣。
雙重商業(yè)模式：在價值鏈中，Diamfab 在材料和設(shè)備之間的接口處運作。它定義了一種雙重商業(yè)模式，在這種模式下，它將直接銷售其技術(shù)，并通過面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟進(jìn)行銷售。首先，Diamfab期望向綜合設(shè)備制造商銷售高附加值的金剛石晶圓和金剛石組件的制造工藝。其次，Diamfab 打算通過共同開發(fā)的方式直接向最終用戶銷售高性能金剛石設(shè)備。基板晶圓是我們用來添加技術(shù)的基礎(chǔ)——即具有導(dǎo)電特性的金剛石層——我們稱之為高附加值晶圓，”Chicot 說。“我們正在為非電子金剛石晶圓帶來價值，并使其準(zhǔn)備好在鑄造廠進(jìn)行加工。”Diamfab 目前正在與合作伙伴合作開發(fā)高性能設(shè)備，包括二極管、晶體管、電容器、 量子傳感器和高能探測器。
金剛石晶圓 ：鑒于社會日益電氣化，金剛石的前景一片光明，但要使該技術(shù)成為工業(yè)現(xiàn)實，仍需克服許多障礙。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工程合成鉆石成為可能。第一批合成鉆石是在 1950 年代使用高壓和高溫生產(chǎn)的。在 20 世紀(jì) 80 年代，晶圓級鉆石是使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 生產(chǎn)的。
近年來在 CVD 合成技術(shù)方面取得的技術(shù)進(jìn)步大大加快了該技術(shù)的發(fā)展，鉆石的時代從未如此接近，”Chicot 說。“最近展示的最大 4 英寸的大晶圓，以及許多研發(fā)中心和現(xiàn)在的工業(yè)合作伙伴對開發(fā)二極管、晶體管和電容器的興趣日益濃厚，都證明了這一點。”將晶圓直徑從 0.5 英寸擴大到 4 英寸可以讓 Diamfab 獲得汽車市場所需的競爭力。至于其他障礙，這家初創(chuàng)公司認(rèn)為減少錯位可以提高組件制造產(chǎn)量。該公司承認(rèn)，Diamfab 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)。Chicot 說，第一輪 300 萬歐元（約合 330 萬美元）的股權(quán)正在進(jìn)行中，以允許安裝試驗線工廠，這將有可能開發(fā)可再生的產(chǎn)品，準(zhǔn)備好進(jìn)行加工并投入大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)被問及 Diamfab 預(yù)計何時進(jìn)入量產(chǎn)時，該公司首席執(zhí)行官說：“今天，我們能夠為公共和私人研究實驗室生產(chǎn)高附加值的金剛石晶圓。在購買了我們的機器和試驗場地后，我們將能夠通過增加產(chǎn)量和營業(yè)額來繼續(xù)生產(chǎn)。我們的目標(biāo)是在未來五到七年內(nèi)增加我們的產(chǎn)量，主要是通過響應(yīng)電動汽車市場。”提高電動汽車的能源效率意味著降低 能源消耗， 但這不應(yīng)以能源密集型和污染制造過程為代價。
Driche 表示，金剛石晶圓的生產(chǎn)“二氧化碳排放量比碳化硅晶圓的生產(chǎn)低 20 倍”。“SiC 需要非常高的溫度，高達(dá) 2,700 攝氏度，持續(xù)數(shù)天，而用于合成金剛石晶片的 CVD 技術(shù)在溫度低 3 倍的情況下完成，”他說。“考慮到金剛石材料的[表面積要求]較低，并且與電動汽車相關(guān)，用于功率元件的半導(dǎo)體材料的二氧化碳足跡可以除以金剛石高達(dá) 1000 倍。”
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