下一代高頻高功率電子器件——金剛石半導(dǎo)體

隨著全球汽車行業(yè)越來越多地轉(zhuǎn)向電動汽車以實現(xiàn)碳中和，開發(fā)下一代汽車半導(dǎo)體對于提高電動汽車的燃油效率和功耗，降低電池成本至關(guān)重要。與Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等當(dāng)前主流半導(dǎo)體材料相比，被稱為“終極半導(dǎo)體材料”的金剛石具有更高的電壓操作能力和優(yōu)異的導(dǎo)熱性（散熱）。未來，使用金剛石開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)下一代汽車半導(dǎo)體有望提高電動汽車的燃油效率和功耗，并降低電池成本。

近年來，金剛石半導(dǎo)體作為下一代高頻高功率電子器件的一種有前途的材料受到了廣泛關(guān)注，由于具有高的光學(xué)聲子能以及最高的電子和空穴遷移率，具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的介電擊穿場、高載流子壽命、高飽和載流子速度。然而，盡管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研發(fā)水平較低，運行壽命比預(yù)期的要短得多，因此仍有望有顯著的改進。

為此，Orbray和電裝-豐田合資公司MIRISE Technologies已開始合作研發(fā)垂直鉆石功率器件，以實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

全球唯一的大直徑金剛石生產(chǎn)方法

金剛石是一種“終極材料”，在硬度、聲速、熱導(dǎo)率、楊氏模量等方面具有所有材料中最好的物理性能；其他性能包括從紫外線到紅外線的寬波長光譜的透射率、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及可控的電阻和導(dǎo)電性。這些特性使金剛石可用于各種應(yīng)用，如散熱器、加工工具、光學(xué)元件、音頻元件和半導(dǎo)體。

目前的金剛石合成方法是高壓、高溫（HPHT）方法?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）在HPHT金剛石襯底上生長同質(zhì)外延金剛石也是眾所周知的生產(chǎn)金剛石襯底的方法。這種方法在質(zhì)量上很優(yōu)越，但限制了襯底的尺寸。

Orbray采用異質(zhì)外延法靶向大型金剛石襯底。原則上，使用異質(zhì)材料作為基底的hetroepitaxy在理論上有可能生產(chǎn)出與基底異質(zhì)襯底尺寸相同的金剛石襯底。然而，由于金剛石和基底的晶格和熱膨脹差異導(dǎo)致的異質(zhì)外延應(yīng)變，在厚體金剛石生長中仍然會發(fā)生質(zhì)量退化和產(chǎn)生裂紋。

MIRISE提出了一種新的方法來克服異質(zhì)外延中的上述問題。基于世界上第一個Ir/藍寶石基底工藝技術(shù)，結(jié)合自己新開發(fā)的微針生長技術(shù)（JP專利6142415B），能夠防止裂紋的產(chǎn)生，并允許生長無應(yīng)力、高質(zhì)量、大直徑的金剛石基底，以穩(wěn)定生產(chǎn)。鉆石晶圓被命名為KENZAN diamond。

此外，該公司還開發(fā)了一種新的階梯流生長技術(shù)，用于生長工業(yè)應(yīng)用所需的直徑為2英寸（50mm）的金剛石晶體。

4mm金剛石晶體（左邊小方塊）和新開發(fā)的2英寸金剛石晶體（右）

利用其藍寶石襯底技術(shù)來精確控制基礎(chǔ)藍寶石晶圓。傾斜的Ir/藍寶石表面導(dǎo)致金剛石晶體的橫向生長，這緩解了生長過程中的應(yīng)力積累。MIRISE表示，簡單的制造工藝可降低生產(chǎn)金剛石晶體的成本，現(xiàn)在正在應(yīng)對進一步增加晶圓尺寸的挑戰(zhàn)，下一階段是直徑為4英寸的晶圓。

KENZAN Diamond金剛石制造技術(shù)——新技術(shù)（階梯流生長）

據(jù)介紹，常規(guī)技術(shù)大量的應(yīng)力被施加到生長的金剛石上，從而導(dǎo)致裂紋，需要使用微針來防止鉆石破碎。微針的制造過程既復(fù)雜又昂貴。階梯流生長使用藍寶石階梯襯底。金剛石層上的應(yīng)力是橫向施加的，從而消除了對微針的需要。生產(chǎn)時間和成本的顯著減少使階梯流生長的成為大規(guī)模生產(chǎn)的合適技術(shù)。目前可提供2英寸的金剛石基底。

常規(guī)技術(shù)（微針生長）和新技術(shù)對比

合作項目直指電動汽車應(yīng)用

據(jù)介紹，在研發(fā)項目的三年期內(nèi)，Orbray和MIRISE將利用各自在金剛石襯底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)。

在這項研究合作中，Orbray將負責(zé)開發(fā)p型導(dǎo)電金剛石襯底，而MIRISE將負責(zé)開發(fā)高壓操作器件結(jié)構(gòu)，以證明垂直金剛石功率器件的可行性。在這個項目結(jié)束時，兩家公司計劃討論下一階段的合作，例如進一步研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用。

Orbray和MIRISE將利用各自的優(yōu)勢，通過垂直電源設(shè)備開發(fā)下一代車內(nèi)半導(dǎo)體，從而為碳中和做出貢獻。

公開資料顯示，Orbray成立于1939年，目前員工為1000人，主要生產(chǎn)電表用寶石軸承。公司以寶石加工技術(shù)（切割、研磨和拋光）為核心，不斷開發(fā)尖端技術(shù)，生產(chǎn)各種產(chǎn)品。目前，該公司生產(chǎn)和銷售精密珠寶零件、直流無芯電機、光纖元件和醫(yī)療設(shè)備。

MIRISE成立于2020年4月1日，員工約530人。它是由DENSO和豐田共同投資的一家汽車半導(dǎo)體研究公司。通過結(jié)合豐田多年專注于出行的專業(yè)知識和DENSO長期專注于車載的專業(yè)知識，MIRISE正致力于下一代車載半導(dǎo)體的早期開發(fā)。從汽車和零部件的角度來看，這些半導(dǎo)體將是電動汽車和自動駕駛汽車技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

天外有天

無獨有偶，事實上，同樣基于金剛石晶圓開發(fā)的超高純2英寸金剛石晶片批量生產(chǎn)技術(shù)已獲得了成功，有望推動量子計算的實現(xiàn)。

Adamant Namiki成功開發(fā)了超高純度2英寸金剛石晶圓的批量生產(chǎn)方法。這種超高純度鉆石含有不超過3ppb（十億分之一）的氮原子，這是量子應(yīng)用所需的超高純度，如量子計算機、量子存儲器和量子傳感器件。

新開發(fā)的金剛石晶片直徑為2英寸（約55mm），比目前可用的4mm×4mm晶體大得多。這項新技術(shù)有望推動量子應(yīng)用的發(fā)展。Adamant Namiki計劃在2023年將該產(chǎn)品商業(yè)化。

2英寸（直徑55mm）超高純金剛石晶圓和4mm×4mm晶體

早在2021年9月，Adamant Namiki就與佐賀大學(xué)合作，采用獨特的步進流動方法，成功生產(chǎn)出直徑為2英寸的晶圓（商品名：KENZAN Diamond，這和MIRISE提出的方法生產(chǎn)的是同一個商品）。然而，該方法利用氮氣實現(xiàn)了適合大規(guī)模生產(chǎn)的高生長速率，但留下了幾ppm（百萬分之一）的氮雜質(zhì)，這將影響量子應(yīng)用。從那時起，Adamant Namiki改進了其生產(chǎn)方法，實現(xiàn)了氮含量不超過3ppb的超高純度2英寸鉆石，使其適用于量子應(yīng)用。

相比之下，市售的含氮不超過3ppb的超高純金剛石晶圓只有4mm×4mm。雖然這種晶圓尺寸可以用于基礎(chǔ)研究，但對于實際應(yīng)用來說太小了。Adamant Namiki開發(fā)了一種2英寸金剛石晶圓的新批量生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)幾乎消除了晶體生長過程中的氮污染，從而獲得超高純度。從理論上講，一塊2英寸的金剛石晶片能夠提供足夠的量子存儲器來記錄10億張藍光光盤。這相當(dāng)于一天內(nèi)分布在世界各地的所有移動數(shù)據(jù)。

Adamant Namiki計劃開發(fā)包括拋光技術(shù)在內(nèi)的外圍技術(shù)，為2023年的商業(yè)發(fā)布做準(zhǔn)備。這將大大加快對使用大直徑金剛石晶圓的量子器件的研究。

另外，金剛石半導(dǎo)體器件被認為可以取代非常高頻率和非常高功率應(yīng)用的真空管，從而提高Beyond-5G無線基站、通信衛(wèi)星、電視廣播站和雷達的輸出功率。佐賀大學(xué)稱，它開發(fā)的新型金剛石半導(dǎo)體的輸出功率是半導(dǎo)體器件有史以來最高的。

佐賀大學(xué)在金剛石半導(dǎo)體器件中發(fā)現(xiàn)了一種新的原理，并制造了這些器件，其表現(xiàn)出顯著增加的輸出功率和沒有退化現(xiàn)象。其器件功率能力接近在電力電子器件市場占據(jù)主導(dǎo)地位的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

15mm×15mm×0.5mm鉆石基底

前景可期

金剛石半導(dǎo)體器件具有優(yōu)異的物理性能，包括高導(dǎo)熱性、高擊穿場強和高載流子遷移率，這允許顯著降低損耗、快速散熱和延長器件壽命。此外，由于其優(yōu)異的性能，它可以操作比硅器件高50000倍的輸出功率和能量效率以及1200倍的頻率。因此，金剛石有望成為終極半導(dǎo)體，最適合高頻大功率電子器件。

未來的研發(fā)方向是開發(fā)高質(zhì)量和大尺寸的金剛石晶圓，解決金剛石半導(dǎo)體器件非常低的電流水平和短操作壽命的問題。同時通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實現(xiàn)較高的載流子遷移率。

編輯：黃飛

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