金剛石，功率半導(dǎo)體器件的終極選擇！

功率半導(dǎo)體器件是幾乎所有電子制造行業(yè)使用的電子電源系統(tǒng)的核心部件。典型應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、移動(dòng)通信、電子設(shè)備等。這種半導(dǎo)體類型在功率器件等特定應(yīng)用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Si仍然是該領(lǐng)域半導(dǎo)體和集成電路中使用最廣泛的材料，超過90%的器件使用硅作為材料。然而，隨著器件尺寸的縮小，Si的性能逐漸無法滿足各種應(yīng)用的要求。

金剛石半導(dǎo)體的輸出功率值為全球最高，被稱為“終極功率半導(dǎo)體”。目前使用金剛石的電力控制用半導(dǎo)體的開發(fā)取得進(jìn)展。與作為新一代功率半導(dǎo)體的碳化硅（SiC）產(chǎn)品和氮化鎵（GaN）產(chǎn)品相比，耐高電壓等性能出色，電力損耗被認(rèn)為可減少到硅制產(chǎn)品的五萬分之一，具有良好的應(yīng)用前景。

1、金剛石商業(yè)化整合現(xiàn)狀

SiC和GaN已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，SiC器件常用于大功率轉(zhuǎn)換器和逆變器，如英飛凌的CoolSiCTM MOSFET 系列和Nexperia的1200V SiC MOSFET 系列。GaN 通常用于高速開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)最低的開關(guān)損耗，如英飛凌的CoolGaNTM 600V 系列。β-Ga2O3和金剛石器件目前正處于研究階段?？梢钥闯?，盡管金剛石器件的研究起步較晚，但其高BFOM的優(yōu)勢已開始得到體現(xiàn)。根據(jù)研究，金剛石似乎是唯一一種電阻率隨溫度急劇下降的半導(dǎo)體。這是金剛石在功率方面的優(yōu)勢，凸顯了它在電力電子領(lǐng)域的重要性。

然而，盡管金剛石器件具有如此理想的特性，并在研究方面取得了重大突破，但要與現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還有很長的路要走。要發(fā)揮金剛石的優(yōu)勢，還需要進(jìn)一步提高器件的性能。下面列出了對金剛石器件相關(guān)參數(shù)的期望值。

1、BV：對于二極管器件，目前垂直器件的擊穿電壓一般大于1kV，最高接近10kV；未來的目標(biāo)是在不影響導(dǎo)通電流的情況下突破10kV。對于場效應(yīng)晶體管，目前最高擊穿電壓為2~4kV；未來應(yīng)突破0kV以上。

2、導(dǎo)通電流：大多數(shù)器件的開態(tài)電流在1~10A 之間，未來的目標(biāo)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)10A 以上的應(yīng)用。二極管的電流密度有望突破100KA/cm2，場效應(yīng)管突破10A/mm。

3、開關(guān)速度：目前金剛石二極管的回轉(zhuǎn)速度小于10V/ns，未來有望超過 100V/ns。

4、BFOM：目前金剛石二極管和場效應(yīng)晶體管的BFOM值主要在10至103MV/cm2 之間，理想情況下，在最大擊穿場強(qiáng)接近10MV/cm時(shí)，BFOM值應(yīng)超過104MV/cm2。

2、 金剛石功率半導(dǎo)體可應(yīng)用場景

1、電力電子器件：

晶閘管和IGBT：金剛石的高熱導(dǎo)率和耐高溫特性可以用于制造更高效、更可靠的晶閘管和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

功率MOSFET：金剛石功率MOSFET可以在更高的電壓和頻率下工作，適用于高效能源轉(zhuǎn)換。

2、電動(dòng)汽車：

逆變器：電動(dòng)汽車中的逆變器需要高效、耐高溫的半導(dǎo)體材料，金剛石功率半導(dǎo)體可以提升逆變器的性能。

充電設(shè)備：快速充電站可以使用金剛石半導(dǎo)體來提高充電效率并減少發(fā)熱。

3、可再生能源：

太陽能逆變器：金剛石半導(dǎo)體可以提高太陽能逆變器的效率和壽命。

風(fēng)力發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變流器可以使用金剛石功率半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)更高的效率和可靠性。

4、工業(yè)應(yīng)用：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)：金剛石功率半導(dǎo)體可用于高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，特別是在高溫或惡劣環(huán)境下。

高頻焊接：金剛石半導(dǎo)體可用于高頻焊接設(shè)備，提高焊接質(zhì)量和效率。

5、航空航天：

電源管理：在航空航天領(lǐng)域，金剛石功率半導(dǎo)體可用于電源管理，以實(shí)現(xiàn)輕量化、高效率和耐高溫的電子系統(tǒng)。

6、軍事和國防：

雷達(dá)系統(tǒng)：金剛石半導(dǎo)體可以用于雷達(dá)系統(tǒng)中的高頻和高功率組件。

電子戰(zhàn)：在電子戰(zhàn)設(shè)備中，金剛石半導(dǎo)體的耐高溫和高頻特性可以提高系統(tǒng)的性能。

3、金剛石商業(yè)化整合的挑戰(zhàn)

在集成和商業(yè)應(yīng)用方面，主要的半導(dǎo)體公司尚未將金剛石用于設(shè)備。以下是將金剛石與現(xiàn)有技術(shù)集成并實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和一些解決方案：

1、材料質(zhì)量和成本控制：高質(zhì)量的電子級金剛石晶片生產(chǎn)成本高昂，而且尺寸通常較?。ㄐ∮?英寸）。未來通過HPHT和MPCVD生長的晶片應(yīng)超過2英寸，通過異質(zhì)外延和拼接方法獲得的晶片應(yīng)超過4英寸。

2、摻雜技術(shù)：?目前缺乏有效的n型摻雜方法，p型摻雜孔的濃度較低。文章已經(jīng)提到了尋找新的生長方向以提高摻雜效率，以及通過共摻雜實(shí)現(xiàn)n型摻雜的技術(shù)。未來有望獲得高于1021cm-3的p型摻雜濃度和高于1016cm-3的n型摻雜濃度，從而實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用。

3、可靠性：金剛石器件的可靠性和使用壽命尚未得到充分驗(yàn)證?？煽啃詼y試方面的研究較少，需要通過建立更多的模擬模型和測試實(shí)際器件來實(shí)現(xiàn)。

4、熱管理和封裝：根據(jù)研究，金剛石似乎是唯一一種電阻率隨溫度急劇下降的半導(dǎo)體。這固然是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但也帶來了一些問題，即金剛石器件的最佳工作狀態(tài)在不同溫度下會(huì)發(fā)生變化，這給設(shè)計(jì)帶來了困難。由于這種獨(dú)特的溫度特性，目前還沒有適用于金剛石的封裝技術(shù)。需要考慮電磁兼容性（EMC）問題。為了提高封裝的可靠性和長期穩(wěn)定性，需要使用特殊的材料和設(shè)計(jì)，并可能包括有助于散熱的集成熱結(jié)構(gòu)。

5、器件性能：金剛石器件需要進(jìn)一步提高擊穿電壓。目前的實(shí)驗(yàn)器件樣品量小，參數(shù)不夠穩(wěn)定，而商業(yè)產(chǎn)品需要穩(wěn)定的性能。這將通過完善摻雜技術(shù)和引入更多功率器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、重浮結(jié)構(gòu)和超級結(jié)結(jié)構(gòu)，這些都依賴于p-n結(jié)的實(shí)現(xiàn)。

6、成本：這是金剛石商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。目前金剛石的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅、碳化硅和氮化鎵等成熟的半導(dǎo)體材料。用于半導(dǎo)體研究的金剛石材料價(jià)格是硅材料價(jià)格的幾千到幾萬倍。