本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，編譯自electropages。
來源：內(nèi)容編譯自electropages，謝謝。
鉆石功率半導(dǎo)體憑借其卓越的性能，即將改變從電動汽車到發(fā)電站等各個行業(yè)。日本在鉆石半導(dǎo)體技術(shù)方面的重大進步為其商業(yè)化鋪平了道路，并有望在未來實現(xiàn)這些半導(dǎo)體比硅器件多50,000倍的電力。
隨著日本在該領(lǐng)域的研發(fā)工作處于領(lǐng)先地位，Orbray和Power Diamond Systems等公司在批量生產(chǎn)鉆石晶片和組件方面取得了顯著進展。隨著鉆石半導(dǎo)體的潛在商業(yè)化越來越近，該行業(yè)有望實現(xiàn)顯著的增長和創(chuàng)新。
主要須知事項：
1、金剛石半導(dǎo)體可處理比傳統(tǒng)硅器件高達50,000倍的電能，使其成為電動汽車和航空航天等高需求應(yīng)用的理想選擇。
2、日本在金剛石半導(dǎo)體研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，Orbray和Power Diamond Systems等公司致力于實現(xiàn)可擴展生產(chǎn)以滿足未來的商業(yè)需求。
3、包括與佐賀大學(xué)和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)在內(nèi)的大學(xué)和產(chǎn)業(yè)合作正在推動金剛石技術(shù)走向太空應(yīng)用，增強其在惡劣環(huán)境下的耐用性和信號完整性。
4、隨著鉆石技術(shù)的成熟，其采用將帶來更加可持續(xù)和高效的電子設(shè)備，符合全球?qū)ι鷳B(tài)高效技術(shù)和可再生能源解決方案的發(fā)展趨勢。
金剛石半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用將如何影響電動汽車和發(fā)電站的效率和性能，金剛石半導(dǎo)體的成功商業(yè)化需要克服哪些挑戰(zhàn)，以及日本金剛石半導(dǎo)體的出現(xiàn)將如何影響全球半導(dǎo)體市場動態(tài)？
金剛石給半導(dǎo)體設(shè)計帶來了哪些挑戰(zhàn)？
現(xiàn)代社會電氣化的曙光催生了對能夠高效、可持續(xù)地處理更大負載的大功率電子設(shè)備的迫切需求。隨著我們對技術(shù)的依賴性不斷增長，對支持下一代電力電子設(shè)備的材料的需求也在不斷增長。
1、傳統(tǒng)硅在高功率應(yīng)用中的局限性
傳統(tǒng)硅雖然應(yīng)用廣泛，但其效率正日益達到極限，尤其是在高溫和高壓條件下。因此，人們的注意力轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料，這些材料在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出了卓越的性能。然而，探索并未止步于此；長期以來因其美學(xué)品質(zhì)而備受推崇的鉆石，現(xiàn)在正在研究其作為新型功率半導(dǎo)體的潛力。
鉆石是碳的結(jié)晶形式，不僅因為其硬度和亮度而聞名，還因為其卓越的電氣和熱性能而聞名。這些特性使其成為電力電子領(lǐng)域極具吸引力的候選材料。
例如，鉆石的高導(dǎo)熱性使其能夠高效散熱，這是電子設(shè)備中一個關(guān)鍵因素，因為過熱會導(dǎo)致設(shè)備故障。鉆石的寬帶隙還意味著，與硅制成的設(shè)備相比，基于鉆石的設(shè)備可以在更高的電壓和溫度下運行。
盡管金剛石具有這些令人期待的特性，但在將其廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域之前，仍有許多重大挑戰(zhàn)需要解決。其中一個主要障礙就是其硬度。
2、制造金剛石基器件的挑戰(zhàn)
雖然鉆石的硬度是切割和磨損材料的理想特性，但它對半導(dǎo)體制造提出了獨特的挑戰(zhàn)。切割和塑造鉆石的難度使得制造基于鉆石的設(shè)備不僅在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，而且成本高昂。
此外，金剛石在長期設(shè)備應(yīng)用中的適用性受到其隨時間推移而退化的趨勢的制約。金剛石在長期運行條件下的穩(wěn)定性仍是一個研究課題。這種退化會影響金剛石基電子設(shè)備的性能和壽命，從而可能限制其實際應(yīng)用。
另一個重大挑戰(zhàn)是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的鉆石技術(shù)相對較新。與數(shù)十年來一直占據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)核心的硅不同，鉆石并未受益于成熟的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。
3、鉆石新興技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)
由于金剛石在半導(dǎo)體中的新特性，研究人員和工程師在許多方面都從頭開始。這種不成熟意味著仍有許多基礎(chǔ)工作需要完成，從開發(fā)可靠的制造工藝到了解金剛石在各種操作壓力下的長期行為。
最后，金剛石的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)使其在生產(chǎn)過程中的操作變得復(fù)雜。制造高質(zhì)量的金剛石半導(dǎo)體需要在微觀層面上精確控制材料特性，這項任務(wù)涉及復(fù)雜的技術(shù)和大量的資金投入。因此，生產(chǎn)金剛石器件的成本仍然是其在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要障礙。
日本研究人員接近研制出金剛石半導(dǎo)體
日本在半導(dǎo)體技術(shù)方面取得了令人矚目的飛躍，有望在金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大進展，并有可能在2025年至2030年之間實現(xiàn)實際應(yīng)用。這些發(fā)展尤其引人注目，因為金剛石半導(dǎo)體以其卓越的性能和處理極端條件的能力而聞名，這可能會改變各種高需求的電子行業(yè)。
鉆石半導(dǎo)體的特點是能夠在極高的電壓下工作，并且能夠承受硅無法企及的高溫。它們在電動汽車和航空航天等耗能應(yīng)用中的應(yīng)用可能標志著根本性的轉(zhuǎn)變，減少熱量損失并延長設(shè)備壽命。日本的進步，尤其是來自大學(xué)主導(dǎo)的研發(fā)的進步，表明日本正集中精力在競爭激烈的領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位，而目前硅和氮化鎵等材料占據(jù)主導(dǎo)地位。
日本在先進半導(dǎo)體研究中的作用
佐賀大學(xué)一直處于這項創(chuàng)新的前沿，于2023年開發(fā)出世界上第一個由金剛石半導(dǎo)體制成的功率器件。這一突破是與日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)合作實現(xiàn)的，重點是用于太空通信的高頻元件。這項技術(shù)的影響不僅限于地面應(yīng)用，還可能提高太空探索設(shè)備的可靠性和性能。
太空應(yīng)用對高頻元件的重視表明了金剛石在極端環(huán)境下改善信號完整性的潛力。JAXA與佐賀大學(xué)在這些項目上的合作凸顯了金剛石半導(dǎo)體的吸引力，不僅因為它們的耐用性，還因為它們能夠使衛(wèi)星和航天器系統(tǒng)實現(xiàn)更高效的電源管理，這是可靠性至關(guān)重要的太空探索任務(wù)中的關(guān)鍵因素。
此外，總部位于東京的Orbray已開發(fā)出2英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)，并正在朝著實現(xiàn)4英寸基板的目標邁進。這種規(guī)模擴大對于滿足電子行業(yè)的商業(yè)需求至關(guān)重要。Orbray與英美資源集團的合作以及與Mirai Technologies的合作得到了豐田和電裝等巨頭的支持，凸顯了該行業(yè)致力于將金剛石半導(dǎo)體整合到主流應(yīng)用中的承諾，包括預(yù)計在2030年代出現(xiàn)的車載電源設(shè)備。
1、擴大生產(chǎn)：Orbray向4英寸鉆石晶圓邁進
隨著Orbray擴大生產(chǎn)能力，業(yè)界密切關(guān)注金剛石晶片能否在高功率設(shè)備中超越硅甚至碳化硅基板。一旦實現(xiàn)4英寸金剛石基板的商業(yè)化，將解決生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵瓶頸，使廣泛工業(yè)應(yīng)用的可行性更近一步，并使日本的半導(dǎo)體行業(yè)能夠在全球范圍內(nèi)樹立新的標準。
擴張并未止步于此。Orbray計劃在秋田縣建立新工廠，以提高生產(chǎn)能力，并計劃在2029年進行首次公開募股。與此同時，Power Diamond Systems和Ookuma Diamond Device等初創(chuàng)公司分別在加強該技術(shù)在電力效率和環(huán)境清潔方面的應(yīng)用。早稻田大學(xué)的衍生公司Power Diamond Systems正在增強這些設(shè)備的載流能力，而Ookuma Diamond Device則專注于將它們部署到福島第一核電站用于核廢料清除，展示該材料對高輻射的抵抗力。
2、新興創(chuàng)業(yè)公司和環(huán)境應(yīng)用
這種韌性不僅對輻射量大的應(yīng)用至關(guān)重要，而且還能增強金剛石在核電設(shè)施等高壓環(huán)境中的適用性。通過將這些設(shè)備應(yīng)用于核廢料清除，Ookuma Diamond Device等公司展示了金剛石半導(dǎo)體如何在能源和環(huán)境領(lǐng)域帶來變革，為傳統(tǒng)材料提供持久的替代品。
這個蓬勃發(fā)展的行業(yè)不僅彰顯了日本研發(fā)的技術(shù)實力和創(chuàng)新精神，還凸顯了材料科學(xué)的重大轉(zhuǎn)變，即金剛石半導(dǎo)體可能成為未來電子和電力設(shè)備的基石。隨著這些技術(shù)的成熟，從電動汽車到航空航天等各個領(lǐng)域都有可能被廣泛采用，這可能會為該行業(yè)樹立新的標準，有望使這些設(shè)備不僅比硅基設(shè)備更堅固，而且效率更高。
3、鉆石在主流應(yīng)用中的未來
將金剛石半導(dǎo)體融入能源密集型技術(shù)可以降低整體功耗，同時提高可靠性，這一組合可滿足日益增長的可持續(xù)性需求。隨著各行各業(yè)繼續(xù)優(yōu)先考慮生態(tài)高效技術(shù)，鑒于金剛石具有卓越的熱管理和電力能力，轉(zhuǎn)向基于金剛石的解決方案可能會進一步激勵人們轉(zhuǎn)向可再生能源。
日本在鉆石半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，凸顯了全球競相開發(fā)先進材料以突破電子設(shè)計界限的趨勢。鉆石技術(shù)有可能同時滿足監(jiān)管和環(huán)境標準，符合可持續(xù)發(fā)展的未來，使日本的研發(fā)工作在國際半導(dǎo)體領(lǐng)域中脫穎而出。
金剛石可以取代其他高功率半導(dǎo)體器件嗎？
金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)并不意味著GaN或SiC的過時，而是標志著工程師可用材料的多樣化。每種材料都有其獨特的特性，使設(shè)計更復(fù)雜、更個性化的電子系統(tǒng)成為可能。作為工程師和科學(xué)家，我們的任務(wù)不是尋找一種“最佳”半導(dǎo)體材料，而是了解和利用每種材料的獨特優(yōu)勢，并與其他材料和諧相處。
隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化，它確實將開辟新的創(chuàng)新途徑。工程師將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇，以突破電子設(shè)計的可能性界限。探索金剛石在電子領(lǐng)域的潛力不僅涉及采用新材料，還涉及重新思考我們解決工程問題和設(shè)計系統(tǒng)的方法。
雖然人們對金剛石半導(dǎo)體的興奮是所當然的，但保持平衡的觀點至關(guān)重要。半導(dǎo)體技術(shù)的未來很可能以多種材料的混合為特征，每種材料都因其能夠以經(jīng)濟高效的方式滿足特定的技術(shù)要求而被選中。金剛石、GaN和SiC半導(dǎo)體之間的相互作用將塑造下一代電子設(shè)備，推動創(chuàng)新，同時解決成本和特定應(yīng)用需求的實際情況。這種細致入微的方法將確保半導(dǎo)體技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，滿足現(xiàn)代世界不斷擴展的應(yīng)用范圍。
參考鏈接：
https://www.electropages.com/blog/2024/11/japanese-researchers-could-introduce-diamond-semiconductors-2030
