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在能源意识日益增强的世界中，对具有卓越效率和功率密度的大功率应用的需求正在蓬勃发展。随着硅接近其物理极限，半导体行业正在探索宽带隙 (WBG) 材料，尤其是碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 以及更进一步的金刚石。

SiC 和 GaN 有着光明的未来，但金刚石很可能被证明是用于高功率电子应用的最终 WBG 半导体材料。

“金刚石是高压操作、高温应用或高频开关的理想选择，”Diamfab 的联合创始人兼首席技术官 Khaled Driche 说。“金刚石的临界电场比 Si 高 30 倍，比 SiC 高 3 倍。它也是一种非常好的散热器，导热系数比铜高 5 倍。”

然而，金刚石是一种与众不同的半导体。Diamfab 首席执行官兼联合创始人 Gauthier Chicot 说：“它的优势也是合成它的障碍，这就是 Diamfab 的用武之地。”

优势：提高电源效率

与现有半导体材料相比，金刚石具有三大主要优势：热管理、成本/效率优化和二氧化碳减排。

冷却系统是所有传统电源转换器中的笨重部件。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率随温度升高而降低。因此，用这种材料制成的设备在 150 摄氏度（功率设备的典型工作温度）下的性能优于室温。Driche 说，虽然必须付出相当大的努力来冷却暴露在高工作温度下的 Si 或 SiC 设备，但可以简单地让金刚石在工作期间找到稳定状态。

金刚石也是很好的散热体。凭借更少的耗散损耗、更好的散热能力和在高温下运行的能力，由金刚石有源器件制成的转换器比基于 Si 的解决方案轻 5 倍，比基于 SiC 的解决方案轻 3 倍，Driche补充道。

在设计设备和转换器时，必须在系统的能效与其成本、尺寸和重量之间找到权衡。Diamond 也不例外，但 Diamfab 相信钻石可以为关键参数带来价值，以实现更节能的电动汽车。

如果重点是降低器件成本，则有可能设计出比 SiC 芯片便宜 30% 的金刚石芯片，因为对于相同的电气性能，金刚石芯片所消耗的金刚石面积比同等 SiC 芯片少 50 倍和效率，但具有更好的热管理。

如果重点是效率，与 SiC 相比，金刚石可以将能量损失减少三倍，芯片尺寸缩小 4 倍，从而直接节省能源消耗。

如果重点是系统体积和重量，通过允许增加开关频率，与基于 SiC 的转换器相比，金刚石器件可以将无源元件的体积减少四分之一 。这种体积减少被添加到较小的散热器所允许的体积减少中。

金刚石或成为终极半导体材料

日前，日本佐贺大学教授嘉数教授与精密零部件制造商日本Orbray合作开发出了，用金刚石制成的功率半导体，并以1平方厘米875兆瓦（87.5万千瓦）的功率运行。该功率半导体在已有的金刚石半导体中，输出功率值为全球最高。

与作为新一代功率半导体的碳化硅(SiC)产品和氮化镓(GaN)产品相比，金刚石半导体耐高电压等性能更出色，电力损耗被认为可减少到硅制产品的五万分之一，同时耐热性和抗辐射性也很强，因而被称为终极功率半导体”。

金刚石带隙宽度高达5.5eV，远超氮化镓、碳化硅等材料，载流子迁移率也是硅材料的3倍，在室温下本征载流子浓度极低，且具备优异的耐高温属性。金刚石在半导体领域的应用越来越广泛，全球各国都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作，其中日本已成功研发超高纯2英寸金刚石晶圆量产方法，其存储能力相当于10亿张蓝光光盘（约为2500万TB）。全球天然金刚石年产量约为1.5亿克拉，而人造金刚石产量则超过200亿克拉，其中95%产量来自于中国大陆。

哈工大团队在金刚石领域的研究

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朱嘉琦教授团队在攻克了国产化微波等离子体化学气相沉积装备、大尺寸高导热金刚石生长工艺以及金刚石在高端应用领域的多项难题后，建立了包含装备、工艺、应用三大板块百余项专利组成的专利群，同时把控专利质量，实现了多分支自主可控。

（一）金刚石晶体生长工艺及装备

制备设备是晶体生长的基础，而金刚石生长装备却被国外“瓦森纳协定”封锁，该课题组从零开始，完成了微波源适配、腔体设计优化、系统集成等工作，实现大面积高密度均匀自持微波等离子体稳定激发，研制出功率频率稳定、能量密度高、长时可靠运行等金刚石晶体微波CVD装备。实现了自研生长装备从无到有的发展，填补了国内空白，通过新产品鉴定，部分指标达国际领先，对我国人造金刚石产业升级及下一代半导体领域实现弯道超车有着重要作用。

同时建立了匹配设备的金刚石生长工艺体系，实现金刚石籽晶缺陷原位修复，发明功率-气压-温度耦合调控强化沉积等离子体的方法，提出大尺寸金刚石同质连接控温及三维模板单晶有序结构合成的方法。采用自研设备配套晶体生长工艺，获得超高热导率高品质大厚度金刚石单晶，热导率突破2400W/m·K，协同实现了金刚石高品质及高速率两个关键要素。

其中核心专利“一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法”解决了金刚石生长过程中的行业共性难题，降低成本，推进了金刚石产业化进程，获第23届中国专利金奖。

（二）金刚石的功能化应用

在应用方面，该课题组解决了限制金刚石材料在应用过程中的诸多难题，例如，实现了第三代半导体材料与金刚石的有效结合；在氮化镓器件表面低温原位合成大面积连续均匀高导热金刚石钝化层；发明了大面积粗糙界面的低温高强低热阻键合技术，实现了器件到组件级跨尺度的快速连接方法，通过了温循、高低温和热阻等应用验证，为金刚石晶圆级散热应用奠定基础。主要成果归纳为以下2个方面：

（1）以“一种GaN与金刚石复合散热结构的制备方法”专利为基础，该团队将金刚石带入半导体散热、探测器等高端应用领域，打破西方国家“瓦森纳协议”对于“发展和生产电子器件用金刚石衬底或薄膜技术”的封锁，是我国突破“卡脖子”技术的关键一环。

（2）同时，针对金刚石半导体特性，在金刚石器件方面，该团队提出了多种新理论及方法，优化了金刚石界面载流子传输能带，发现了光原位触发金刚石雪崩探测现象，实现了增益因子~1500的非PN结金刚石雪崩探测器、高信噪比自供能式日盲紫外金刚石肖特基器件、高迁移率硅终端二维空穴气、色心荧光强度调控等器件与功能，其中雪崩探测阵列通过了合作单位的应用验证测试，为金刚石器件在深空探测，高超声速预警等方面的应用奠定了基础。

另外，该课题组基于金刚石拥有耐高电压、抗辐射、耐高温等极端的半导体属性，研发了开路电压高达1.6 V的同位素电池、工作温度高达633 K的金刚石逻辑与门等极端使役环境特种芯片，相关研究发表在Science、Advanced materials、Carbon等国际顶级期刊。

（三）金刚石半导体连接技术

该课题组发明了金属扩散，纳米烧结，混合键合等半导体工艺兼容的金刚石半导体连接技术，基于仿生拓扑结构创新设计了金刚石微纳结构大幅提高组件散热效能，实现了超高散热能力复合衬底可控制备。

市场规模

金刚石在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。但半导体金刚石的市场还很小，相关企业均在国外，国内还没有半导体金刚石有关的企业和产品。

据有关机构预测2020年全球半导体金刚石市场总量为4千万美元，主要产品包括金刚石衬底、深紫外探测器等光电子器件等（可能包括把作为热沉的散热用金刚石）。有机构预测，2025年金刚石衬底的市场总量为2.5千万美元。金刚石市场的年增长率为10%左右。

不过，由于高质量半导体金刚石制备、掺杂、材料加工、器件工艺等相关的科学和技术问题还没有解决，金刚石半导体材料的市场还远远没有打开。

来源：宽禁带联盟，中关村在线，半导体芯闻

注：文章内的所有配图皆为网络转载图片，侵权即删！

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