在能源意識(shí)日益增強(qiáng)的世界中，對(duì)具有*效率和功率密度的大功率應(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，尤其是碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 以及更進(jìn)一步的金剛石。
特斯拉于 2018 年啟動(dòng) SiC 功率器件市場(chǎng)，成為*家在其 Model 3 中使用 SiC MOSFET 的汽車(chē)制造商 。多年來(lái)，特斯拉一直是 SiC 市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者。但在特斯拉宣布其下一代動(dòng)力總成將使用永磁電機(jī)后，該行業(yè)陷入了恐慌，這將減少 75% 的 SiC 使用。
“碳化硅是一種了不起的半導(dǎo)體，但它也很昂貴，而且很難規(guī)模化。因此，減少使用它對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的勝利，”特斯拉動(dòng)力總成工程副總裁科林坎貝爾在 3 月 1 日的特斯拉 2023 投資者日活動(dòng)中表示。
減少 75% 似乎令人擔(dān)憂，但這個(gè)數(shù)字并不能說(shuō)明全部情況。Yole Intelligence 在 3 月中旬表示，SiC 器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以超過(guò) 30% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到 2027 年將超過(guò) 60 億美元，其中汽車(chē)預(yù)計(jì)將占該市場(chǎng)的 80% 左右。
“我們估計(jì)未來(lái)幾年不會(huì)有顛覆性的電力電子技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)，因?yàn)樯弦淮沃卮箢嵏病猄iC 和 GaN 的出現(xiàn)——仍在發(fā)揮作用，并正在搶占傳統(tǒng)硅市場(chǎng)的份額， Yole Intelligence 電力和無(wú)線部門(mén)的電力電子活動(dòng)團(tuán)隊(duì)首席分析師 Ana Villamor 說(shuō)�！氨M管如此，一些正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)將在長(zhǎng)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(lái)，但金剛石很可能被證明是用于高功率電子應(yīng)用的*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(kāi)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(shuō)。“金剛石的臨界電場(chǎng)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(shuō)：“它的優(yōu)勢(shì)也是合成它的障礙，這就是 Diamfab 的用武之地�！�
Diamfab 總部位于法國(guó)格勒諾布爾，是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的衍生公司，其基礎(chǔ)是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 (Institut Néél-CNRS) 對(duì)高質(zhì)量合成金剛石生長(zhǎng) 30 年的寬帶隙研究半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì) (SC2G)。Diamfab 項(xiàng)目成立于 2016 年，并于 2019 年注冊(cè)成立。
“我們通過(guò)獨(dú)特的控制合成和摻雜金剛石外延層；因此，生長(zhǎng)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(shuō)。
在制造金剛石器件所需的所有工業(yè)過(guò)程中，外延層的生長(zhǎng)是*關(guān)鍵的過(guò)程之一，因?yàn)榇蟛糠蛛姎庑阅苋Q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(dòng)汽車(chē) (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(cè)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(dòng)駕駛汽車(chē)。
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(shì)：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(shuō)，雖然必須付出相當(dāng)大的努力來(lái)冷卻暴露在高工作溫度下的 Si 或 SiC 設(shè)備，但可以簡(jiǎn)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(yùn)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(bǔ)充道。
在設(shè)計(jì)設(shè)備和轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(lái)價(jià)值，以實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的電動(dòng)汽車(chē)。
如果重點(diǎn)是降低器件成本，則有可能設(shè)計(jì)出比 SiC 芯片便宜 30% 的金剛石芯片，因?yàn)閷?duì)于相同的電氣性能，金剛石芯片所消耗的金剛石面積比同等 SiC 芯片少 50 倍和效率，但具有更好的熱管理。
如果重點(diǎn)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。
如果重點(diǎn)是系統(tǒng)體積和重量，通過(guò)允許增加開(kāi)關(guān)頻率，與基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器相比，金剛石器件可以將無(wú)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(dòng)汽車(chē)中的鉆石
電動(dòng)汽車(chē)是 Diamfab 的優(yōu)先領(lǐng)域，它*近申請(qǐng)了用于電動(dòng)汽車(chē)的全金剛石電容器的專(zhuān)利。當(dāng)被問(wèn)及細(xì)節(jié)時(shí)，Driche 說(shuō)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(wú)源元件解決方案來(lái)保護(hù)二極管和晶體管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件時(shí)出現(xiàn)的，因?yàn)橛性雌骷惺艿碾妷悍逯蹈哂谄涑惺苣芰?(>1,500 V)。
“金剛石的*大優(yōu)勢(shì)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(duì)于傳統(tǒng)電容器來(lái)說(shuō)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(shuō)。在這里，金剛石被用作絕緣體和導(dǎo)體。
Diamfab 表示，它預(yù)計(jì)在十年內(nèi)所有電動(dòng)汽車(chē)中都會(huì)出現(xiàn)金剛石，就像其位于格勒諾布爾的鄰居 Soitec 推動(dòng)絕緣體上硅在每部智能手機(jī)中的地位一樣。
雙重商業(yè)模式
在價(jià)值鏈中，Diamfab 在材料和設(shè)備之間的接口處運(yùn)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(xiāo)售其技術(shù)，并通過(guò)面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟進(jìn)行銷(xiāo)售。
首先，Diamfab期望向綜合設(shè)備制造商銷(xiāo)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(guò)共同開(kāi)發(fā)的方式直接向*終用戶銷(xiāo)售高性能金剛石設(shè)備。
“基板晶圓是我們用來(lái)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(chēng)之為高附加值晶圓，”Chicot 說(shuō)�！拔覀冋跒榉请娮咏饎偸A帶來(lái)價(jià)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(kāi)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(cè)器。
金剛石晶圓
鑒于社會(huì)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(shí)，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(cè)特性和一致性能的工程合成鉆石成為可能。*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(jí)鉆石是使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 生產(chǎn)的。
“近年來(lái)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(shí)代從未如此接近，”Chicot 說(shuō)�！�*近展示的*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(duì)開(kāi)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(diǎn)�！�
將晶圓直徑從 0.5 英寸擴(kuò)大到 4 英寸可以讓 Diamfab 獲得汽車(chē)市場(chǎng)所需的競(jìng)爭(zhēng)力。
至于其他障礙，這家初創(chuàng)公司認(rèn)為減少錯(cuò)位可以提高組件制造產(chǎn)量。Diamfab 還在探索多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直組件架構(gòu)，以提高電流密度。
該公司承認(rèn)，Diamfab 正在與潛在投資者進(jìn)行談判，以實(shí)現(xiàn)其技術(shù)和業(yè)務(wù)目標(biāo)。Chicot 說(shuō)，*輪 300 萬(wàn)歐元（約合 330 萬(wàn)美元）的股權(quán)正在進(jìn)行中，以允許安裝試驗(yàn)線工廠，這將有可能開(kāi)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(wèn)及 Diamfab 預(yù)計(jì)何時(shí)進(jìn)入量產(chǎn)時(shí)，該公司首席執(zhí)行官說(shuō)：“今天，我們能夠?yàn)楣埠退饺搜芯繉?shí)驗(yàn)室生產(chǎn)高附加值的金剛石晶圓。在購(gòu)買(mǎi)了我們的機(jī)器和試驗(yàn)場(chǎng)地后，我們將能夠通過(guò)增加產(chǎn)量和營(yíng)業(yè)額來(lái)繼續(xù)生產(chǎn)。我們的目標(biāo)是在未來(lái)五到七年內(nèi)增加我們的產(chǎn)量，主要是通過(guò)響應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)�！�
提高電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程為代價(jià)。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(shuō)。“考慮到金剛石材料的[表面積要求]較低，并且與電動(dòng)汽車(chē)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) 1,000 倍�！�
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