金剛石對于半導體行業(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。在最近的一項研究中，千葉大學的一個研究小組開發(fā)了一種新型激光技術，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換和高速通信技術方面具有成本效益。

這也讓金剛石半導體又走進了一大步。

盡管它們具有對半導體行業(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，其應用受到限制。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。

現(xiàn)在，由千葉大學工程研究生院 Hirofumi Hidai 教授領導的日本研究小組找到了解決這個問題的方法。基于激光的切片技術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科學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，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)高質量的晶圓，對于制造金剛石半導體器件是必不可少的。因此，這項研究使我們更接近實現(xiàn)金剛石半導體在社會中的各種應用，例如提高電動汽車和火車的功率轉換率，”他說。

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用的戰(zhàn)略合作伙伴關系和聯(lián)盟銷售其技術。該戰(zhàn)略旨在實現(xiàn)一個可擴展的模型，結合了內(nèi)部能力和擴展的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，以設計和構建二極管、晶體管、電容器、量子傳感器和高能探測器。

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

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

Diamfab 于 2019 年推出，是法國國家科學研究中心 (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，添加精確且受控數(shù)量的硼或氮以生長金剛石摻雜層并形成準備用于器件制造的高附加值晶圓。

“過去兩年，我們與研發(fā)團隊合作，在加工高附加值金剛石晶片方面取得了重大進展。我們基于雙重業(yè)務模式的以應用為導向的方法現(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備制造工藝，同時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。在汽車應用中，Diamfab 晶圓可以制造重量減輕 80%、結構更緊湊的電源轉換器。在電網(wǎng)應用中，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，為設備制造做好準備。”Driche 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量。但與現(xiàn)有半導體材料相比，金剛石具有三個關鍵優(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)電源轉換器中，冷卻系統(tǒng)是一個笨重且體積龐大的部件。與大多數(shù)半導體不同，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，金剛石半導體的應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。當被問及細節(jié)時，Driche 表示，當一家工業(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，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，但該技術要成為工業(yè)現(xiàn)實，仍需克服許多障礙。

合成技術的進步使得生產(chǎn)具有可預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 50 年代采用高壓和高溫生產(chǎn)。20 世紀 80 年代，采用化學氣相沉積 (CVD) 技術生產(chǎn)晶圓級鉆石。

Chicot 表示：“近年來 CVD 合成技術取得的技術進步大大加速了該技術的發(fā)展，金剛石的時代從未如此接近。” “最近展示的高達 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。”

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，該初創(chuàng)公司認為，減少位錯可以提高零部件的制造產(chǎn)量。Diamfab 還在探索多種途徑來實現(xiàn)垂直組件架構，以提高電流密度。

更多金剛石半導體的參與者

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、光纖元件和醫(yī)療設備）和位于日本愛知縣南山的汽車半導體研究公司 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備方面進行合作。

在該項目的三年期間，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、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。

在研究合作中，Orbray將負責開發(fā)p型導電金剛石基板，而MIRISE將負責開發(fā)高壓操作器件結構，以驗證垂直金剛石功率器件的可行性。項目結束時，兩家公司計劃討論下一階段的合作，例如進一步的研發(fā)。

今年年初，一則新聞宣布，日本佐賀大學教授 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體，其工作功率為每平方厘米 875 兆瓦。

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

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

到 2050 年，金剛石功率半導體（也非常耐熱和耐輻射）預計將成為人造航天器的重要組成部分。

審核編輯：劉清