金剛石對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一種很有前景的材料，但將其切成薄片具有挑戰(zhàn)性。在最近的一項(xiàng)研究中，千葉大學(xué)的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種新型激光技術(shù)，可以沿最佳晶體平面切割鉆石。這些發(fā)現(xiàn)將有助于使該材料在電動汽車的高效電力轉(zhuǎn)換和高速通信技術(shù)方面具有成本效益。

這也讓金剛石半導(dǎo)體又走進(jìn)了一大步。

盡管它們具有對半導(dǎo)體行業(yè)有吸引力的特性，但由于缺乏有效地將它們切成薄晶圓的技術(shù)，其應(yīng)用受到限制。因此，晶圓必須一張一張地合成，這使得制造成本對于大多數(shù)行業(yè)來說都過高。

【資料圖】

現(xiàn)在，由千葉大學(xué)工程研究生院 Hirofumi Hidai 教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究小組找到了解決這個(gè)問題的方法?；诩す獾那衅夹g(shù)用于沿著最佳晶面干凈地切片鉆石，生產(chǎn)光滑的晶圓。他們的研究由千葉大學(xué)科學(xué)與工程研究生院的碩士生 Kosuke Sakamoto 和前博士生德永大二郎共同撰寫，或者現(xiàn)任東京工業(yè)大學(xué)助理教授。

為了防止不良裂紋在晶格上傳播，研究人員開發(fā)了一種加工技術(shù)，將短激光脈沖聚焦到材料內(nèi)狹窄的錐形體積上。

“集中激光照射將鉆石轉(zhuǎn)化為非晶碳，其密度低于鉆石。因此，激光脈沖修飾的區(qū)域密度會降低，裂紋也會形成。” Hidai 教授說道。

通過將這些激光脈沖以方形網(wǎng)格圖案照射到透明樣品上，研究人員在材料內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)由容易出現(xiàn)裂紋的小區(qū)域組成的網(wǎng)格。如果網(wǎng)格中修改區(qū)域之間的空間和每個(gè)區(qū)域使用的激光脈沖數(shù)量是最佳的，則所有修改區(qū)域通過優(yōu)先沿{100}平面?zhèn)鞑サ男×鸭y相互連接。因此，只需將鋒利的鎢針推到樣品側(cè)面，即可輕松將具有 {100} 表面的光滑晶圓與塊體的其余部分分離

“金剛石切片能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，對于制造金剛石半導(dǎo)體器件是必不可少的。因此，這項(xiàng)研究使我們更接近實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在社會中的各種應(yīng)用，例如提高電動汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率，”他說。

01 金剛石晶圓初創(chuàng)公司，挑戰(zhàn)碳化硅

法國初創(chuàng)公司 Diamfab 正在尋求以雙重商業(yè)模式利用其金剛石外延晶片來應(yīng)對碳化硅器件。

根據(jù)這種新方法，該公司將直接并通過面向應(yīng)用的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟銷售其技術(shù)。該戰(zhàn)略旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)可擴(kuò)展的模型，結(jié)合了內(nèi)部能力和擴(kuò)展的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，以設(shè)計(jì)和構(gòu)建二極管、晶體管、電容器、量子傳感器和高能探測器。

第一個(gè)目標(biāo)市場是電動汽車電容器，金剛石半導(dǎo)體相對于現(xiàn)有電容器技術(shù)和碳化硅的優(yōu)勢可以減小尺寸并提高車輛整個(gè)生命周期的性能。

“我們已經(jīng)申請了全金剛石電容器的專利，并正在與該領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)合作，”Diamfab 首席執(zhí)行官 Gauthier Chicot 說道?！霸谄渌麉?shù)中，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)：超過 1000A/cm2 的高電流密度和大于 7.7MV/cm 的擊穿電場。這些是未來設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)，并且已經(jīng)優(yōu)于 SiC 等現(xiàn)有材料為電力電子設(shè)備提供的參數(shù)。此外，我們有一個(gè)明確的路線圖，到 2025 年實(shí)現(xiàn) 4 英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動因素?！?/p>

Diamfab 于 2019 年推出，是法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的功勞。它開發(fā)了利用微波產(chǎn)生的等離子體在受控溫度和壓力條件下合成和摻雜金剛石外延層的IP。這會將甲烷分子裂解成碳，然后碳在鉆石種子的表面上重新排列。同時(shí)，添加精確且受控?cái)?shù)量的硼或氮以生長金剛石摻雜層并形成準(zhǔn)備用于器件制造的高附加值晶圓。

“過去兩年，我們與研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，在加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進(jìn)展。我們基于雙重業(yè)務(wù)模式的以應(yīng)用為導(dǎo)向的方法現(xiàn)在使我們能夠與更廣泛的工業(yè)合作伙伴合作，開發(fā)和銷售高附加值金剛石晶片和我們獲得專利的金剛石設(shè)備制造工藝，同時(shí)也直接向最終用戶銷售具有超輕模型，”Chicot 說道。

與硅相比，金剛石的電流密度高出5000倍，電壓高出30倍，可以在高溫和輻射的惡劣環(huán)境下工作。在汽車應(yīng)用中，Diamfab 晶圓可以制造重量減輕 80%、結(jié)構(gòu)更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器。在電網(wǎng)應(yīng)用中，與硅相比，晶圓還可以更輕松地處理更高的電壓，并將能量損失減少 10 倍。

“我們通過獨(dú)特的控制來合成和摻雜金剛石外延層；因此，金剛石摻雜層的堆疊被生長以形成高附加值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備?！盌riche 說。

而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?yàn)榇蟛糠蛛姎庑阅苋Q于這些有源層的質(zhì)量。但與現(xiàn)有半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：熱管理、成本/效率優(yōu)化和二氧化碳減排。

在所有傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器中，冷卻系統(tǒng)是一個(gè)笨重且體積龐大的部件。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率隨著溫度的升高而降低。但Driche 表示，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 器件，但可以簡單地讓金剛石在工作過程中找到穩(wěn)定的狀態(tài)。

據(jù)了解，金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍覆蓋了從電動汽車到具有 20 年長壽命電池的物聯(lián)網(wǎng)，再到醫(yī)療保健中使用硬化電子元件或探測器的核和空間應(yīng)用，甚至用于自動駕駛汽車的超精密量子傳感器。

電動汽車是 Diamfab 的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，該公司最近申請了電動汽車用全金剛石電容器的專利。當(dāng)被問及細(xì)節(jié)時(shí)，Driche 表示，當(dāng)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 的有源元件作為有源器件時(shí)，全金剛石電容器的想法就出現(xiàn)了。所承受的電壓峰值高于其承受能力 (>1,500 V)。

鑒于社會日益電氣化，金剛石的前景一片光明，但該技術(shù)要成為工業(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)測特性和一致性能的工程金剛石成為可能。第一批人造鉆石于 20 世紀(jì) 50 年代采用高壓和高溫生產(chǎn)。20 世紀(jì) 80 年代，采用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)生產(chǎn)晶圓級鉆石。

Chicot 表示：“近年來 CVD 合成技術(shù)取得的技術(shù)進(jìn)步大大加速了該技術(shù)的發(fā)展，金剛石的時(shí)代從未如此接近?！?“最近展示的高達(dá) 4 英寸的大型晶圓，以及許多研發(fā)中心和工業(yè)合作伙伴對開發(fā)二極管、晶體管和電容器日益增長的興趣都證明了這一點(diǎn)?！?/p>

將晶圓直徑從 0.5 英寸擴(kuò)大到 4 英寸可以讓 Diamfab 獲得汽車市場所需的競爭力。

至于其他障礙，該初創(chuàng)公司認(rèn)為，減少位錯(cuò)可以提高零部件的制造產(chǎn)量。Diamfab 還在探索多種途徑來實(shí)現(xiàn)垂直組件架構(gòu)，以提高電流密度。

02 更多金剛石半導(dǎo)體的參與者

早前，總部位于東京的 Orbray Co Ltd（生產(chǎn)精密寶石零件、直流無芯電機(jī)、光纖元件和醫(yī)療設(shè)備）和位于日本愛知縣南山的汽車半導(dǎo)體研究公司 MIRISE Technologies Corp（一家由DENSO 和豐田于 2020 年 4 月成立的合資企業(yè) ）已開始在垂直金剛石動力設(shè)備方面進(jìn)行合作。

在該項(xiàng)目的三年期間，Orbray 和 MIRISE 旨在利用各自在金剛石基板和功率器件方面的技術(shù)、資源和專業(yè)知識，開發(fā)未來在各種電動汽車中部署垂直金剛石功率器件所需的技術(shù)。

在研究合作中，Orbray將負(fù)責(zé)開發(fā)p型導(dǎo)電金剛石基板，而MIRISE將負(fù)責(zé)開發(fā)高壓操作器件結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證垂直金剛石功率器件的可行性。項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，兩家公司計(jì)劃討論下一階段的合作，例如進(jìn)一步的研發(fā)。

今年年初，一則新聞宣布，日本佐賀大學(xué)教授 Kazuki Yosda 和日本精密零件制造商 Orbray 開發(fā)了一種由金剛石制成的功率半導(dǎo)體，其工作功率為每平方厘米 875 兆瓦。

據(jù)稱，這款新型半導(dǎo)體是世界上輸出功率值最高的半導(dǎo)體。近年來，使用金剛石的功率控制半導(dǎo)體的開發(fā)取得了進(jìn)展，被稱為終極功率半導(dǎo)體。

該功率半導(dǎo)體的輸出功率預(yù)計(jì)為2090兆瓦，在所有半導(dǎo)體中僅次于氮化鎵產(chǎn)品，并且是世界上現(xiàn)有金剛石半導(dǎo)體中輸出功率值最大的。與下一代功率半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅相比，金剛石半導(dǎo)體具有更優(yōu)越的性能，包括耐高壓和功率損耗，預(yù)計(jì)可降低至硅產(chǎn)品的1/50,000。

到 2050 年，金剛石功率半導(dǎo)體（也非常耐熱和耐輻射）預(yù)計(jì)將成為人造航天器的重要組成部分。