下一代高频高功率电子器件——金刚石半导体

随着全球汽车行业越来越多地转向电动汽车以实现碳中和，开发下一代汽车半导体对于提高电动汽车的燃油效率和功耗，降低电池成本至关重要。与Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等当前主流半导体材料相比，被称为“终极半导体材料”的金刚石具有更高的电压操作能力和优异的导热性（散热）。未来，使用金刚石开发和大规模生产下一代汽车半导体有望提高电动汽车的燃油效率和功耗，并降低电池成本。

近年来，金刚石半导体作为下一代高频高功率电子器件的一种有前途的材料受到了广泛关注，由于具有高的光学声子能以及最高的电子和空穴迁移率，具有高导热性、优异的介电击穿场、高载流子寿命、高饱和载流子速度。然而，尽管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研发水平较低，运行寿命比预期的要短得多，因此仍有望有显著的改进。

为此，Orbray和电装-丰田合资公司MIRISE Technologies已开始合作研发垂直钻石功率器件，以实现碳中和的目标。

全球唯一的大直径金刚石生产方法

金刚石是一种“终极材料”，在硬度、声速、热导率、杨氏模量等方面具有所有材料中最好的物理性能；其他性能包括从紫外线到红外线的宽波长光谱的透射率、热稳定性和化学稳定性以及可控的电阻和导电性。这些特性使金刚石可用于各种应用，如散热器、加工工具、光学元件、音频元件和半导体。

目前的金刚石合成方法是高压、高温（HPHT）方法。化学气相沉积（CVD）在HPHT金刚石衬底上生长同质外延金刚石也是众所周知的生产金刚石衬底的方法。这种方法在质量上很优越，但限制了衬底的尺寸。

Orbray采用异质外延法靶向大型金刚石衬底。原则上，使用异质材料作为基底的hetroepitaxy在理论上有可能生产出与基底异质衬底尺寸相同的金刚石衬底。然而，由于金刚石和基底的晶格和热膨胀差异导致的异质外延应变，在厚体金刚石生长中仍然会发生质量退化和产生裂纹。

MIRISE提出了一种新的方法来克服异质外延中的上述问题。基于世界上第一个Ir/蓝宝石基底工艺技术，结合自己新开发的微针生长技术（JP专利6142415B），能够防止裂纹的产生，并允许生长无应力、高质量、大直径的金刚石基底，以稳定生产。钻石晶圆被命名为KENZAN diamond。

此外，该公司还开发了一种新的阶梯流生长技术，用于生长工业应用所需的直径为2英寸（50mm）的金刚石晶体。

4mm金刚石晶体（左边小方块）和新开发的2英寸金刚石晶体（右）

利用其蓝宝石衬底技术来精确控制基础蓝宝石晶圆。倾斜的Ir/蓝宝石表面导致金刚石晶体的横向生长，这缓解了生长过程中的应力积累。MIRISE表示，简单的制造工艺可降低生产金刚石晶体的成本，现在正在应对进一步增加晶圆尺寸的挑战，下一阶段是直径为4英寸的晶圆。

KENZAN Diamond金刚石制造技术——新技术（阶梯流生长）

据介绍，常规技术大量的应力被施加到生长的金刚石上，从而导致裂纹，需要使用微针来防止钻石破碎。微针的制造过程既复杂又昂贵。阶梯流生长使用蓝宝石阶梯衬底。金刚石层上的应力是横向施加的，从而消除了对微针的需要。生产时间和成本的显著减少使阶梯流生长的成为大规模生产的合适技术。目前可提供2英寸的金刚石基底。

常规技术（微针生长）和新技术对比

合作项目直指电动汽车应用

据介绍，在研发项目的三年期内，Orbray和MIRISE将利用各自在金刚石衬底和功率器件方面的技术、资源和专业知识，开发未来在各种电动汽车中部署垂直金刚石功率器件所需的技术。

在这项研究合作中，Orbray将负责开发p型导电金刚石衬底，而MIRISE将负责开发高压操作器件结构，以证明垂直金刚石功率器件的可行性。在这个项目结束时，两家公司计划讨论下一阶段的合作，例如进一步研发和商业应用。

Orbray和MIRISE将利用各自的优势，通过垂直电源设备开发下一代车内半导体，从而为碳中和做出贡献。

公开资料显示，Orbray成立于1939年，目前员工为1000人，主要生产电表用宝石轴承。公司以宝石加工技术（切割、研磨和抛光）为核心，不断开发尖端技术，生产各种产品。目前，该公司生产和销售精密珠宝零件、直流无芯电机、光纤元件和医疗设备。

MIRISE成立于2020年4月1日，员工约530人。它是由DENSO和丰田共同投资的一家汽车半导体研究公司。通过结合丰田多年专注于出行的专业知识和DENSO长期专注于车载的专业知识，MIRISE正致力于下一代车载半导体的早期开发。从汽车和零部件的角度来看，这些半导体将是电动汽车和自动驾驶汽车技术创新的关键。

天外有天

无独有偶，事实上，同样基于金刚石晶圆开发的超高纯2英寸金刚石晶片批量生产技术已获得了成功，有望推动量子计算的实现。

Adamant Namiki成功开发了超高纯度2英寸金刚石晶圆的批量生产方法。这种超高纯度钻石含有不超过3ppb（十亿分之一）的氮原子，这是量子应用所需的超高纯度，如量子计算机、量子存储器和量子传感器件。

新开发的金刚石晶片直径为2英寸（约55mm），比目前可用的4mm×4mm晶体大得多。这项新技术有望推动量子应用的发展。Adamant Namiki计划在2023年将该产品商业化。

2英寸（直径55mm）超高纯金刚石晶圆和4mm×4mm晶体

早在2021年9月，Adamant Namiki就与佐贺大学合作，采用独特的步进流动方法，成功生产出直径为2英寸的晶圆（商品名：KENZAN Diamond，这和MIRISE提出的方法生产的是同一个商品）。然而，该方法利用氮气实现了适合大规模生产的高生长速率，但留下了几ppm（百万分之一）的氮杂质，这将影响量子应用。从那时起，Adamant Namiki改进了其生产方法，实现了氮含量不超过3ppb的超高纯度2英寸钻石，使其适用于量子应用。

相比之下，市售的含氮不超过3ppb的超高纯金刚石晶圆只有4mm×4mm。虽然这种晶圆尺寸可以用于基础研究，但对于实际应用来说太小了。Adamant Namiki开发了一种2英寸金刚石晶圆的新批量生产技术，该技术几乎消除了晶体生长过程中的氮污染，从而获得超高纯度。从理论上讲，一块2英寸的金刚石晶片能够提供足够的量子存储器来记录10亿张蓝光光盘。这相当于一天内分布在世界各地的所有移动数据。

Adamant Namiki计划开发包括抛光技术在内的外围技术，为2023年的商业发布做准备。这将大大加快对使用大直径金刚石晶圆的量子器件的研究。

另外，金刚石半导体器件被认为可以取代非常高频率和非常高功率应用的真空管，从而提高Beyond-5G无线基站、通信卫星、电视广播站和雷达的输出功率。佐贺大学称，它开发的新型金刚石半导体的输出功率是半导体器件有史以来最高的。

佐贺大学在金刚石半导体器件中发现了一种新的原理，并制造了这些器件，其表现出显著增加的输出功率和没有退化现象。其器件功率能力接近在电力电子器件市场占据主导地位的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

15mm×15mm×0.5mm钻石基底

前景可期

金刚石半导体器件具有优异的物理性能，包括高导热性、高击穿场强和高载流子迁移率，这允许显著降低损耗、快速散热和延长器件寿命。此外，由于其优异的性能，它可以操作比硅器件高50000倍的输出功率和能量效率以及1200倍的频率。因此，金刚石有望成为终极半导体，最适合高频大功率电子器件。

未来的研发方向是开发高质量和大尺寸的金刚石晶圆，解决金刚石半导体器件非常低的电流水平和短操作寿命的问题。同时通过结构创新实现较高的载流子迁移率。

编辑：黄飞