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金刚石功率半导体技术和未来的可能性!

时间:2023-05-30浏览次数:472

功率半导体具有通过转换和控制电力来高效、高精度地操作电子设备的作用。具体来说,它是一种提供电力(电力)的半导体,例如将交流电转换为直流电、转换电压、驱动电动机、给电池充电等。

目前主流的功率半导体以Si(硅)为主,估计占总量的90%。随着EV的普及,对SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、氧化镓(Ga2O3)等两种元素组合而成的高性能化合物半导体的需求不断增加。两者的结合提高了性能。例如,与单独使用硅相比,SiC 功率半导体据说可以将 EV 功耗(汽油车燃油效率)提高 10% 以上。

随着通信容量的增加,要求半导体电子设备具有更高的频率和更高的输出。1.5GHz/1W对移动终端来说已经足够了,但通信卫星和电视地面波需要10GHz/1KW级别或更高,5G及以后需要100GHz/10OW级别或更高。高级频段仍然没有半导体器件。

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从理论上知道,如果制造出理想的金刚石,由于其物理特性,将有可能获得超过SiC和GaN的频率和输出功率。根据佐贺大学的数据,理想的金刚石预计能效比硅高 50,000 倍以上,速度比硅快 1,200 倍。此外,佐贺大学在2022年报告了金刚石半导体器件(8平方毫米)的世界最高输出功率(875 MW/CM)和输出电压(3659 V)。据媒体报道,据测算,一颗8平方毫米的金刚石半导体可以控制约15.5万户家庭的用电。

2023年4月17日,佐贺大学理工学部Makoto Kakazu教授宣布,他开发出了世界上第一个使用金刚石半导体器件的电源电路,即功率半导体。金刚石半导体电源电路能够以小于10纳秒(纳秒是十亿分之一秒)的高速开关,据说在运行中没有任何劣化,接下来的目标是在三年内将该技术商业化。

由于它可以无损耗地传输电力,因此适用于使用大量电力的计算机的超高速计算和电力传输线,以及下一代 5G 的基站和电动汽车的电源控制设备。它还具有很高的耐热性和耐辐射性,有望在卫星等航天工业中得到实际应用。真空管仍在通信卫星中使用,转换为半导体有望大大提高性能。


金刚石在禁带宽度、电子迁移度、热传导率等诸多方面远远比SiC和GaN等半导体材料出色,也被誉为是“终极半导体材料”。不仅是半导体,金刚石也可应用于量子传感器。

 

日本的EDP株式会社和Orbray株式会社等日本公司都在积极推进金刚石材质的晶圆业务。其中,“Orbray”研发了一种以蓝宝石(Sapphire)为衬底,异质外延生长(Heteroepitaxial Growth)金刚石晶圆的生产方法,如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。

 

此外,日本初创企业日本早稻田大学孵化出了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业Power Diamond Systems,意图将金刚石半导体行业的先驱一一川原田教授的研发成果推向实用化。川原田教授曾利用金刚石半导体的基础技术(氢终端表面),研发了金刚石场效应晶体管(FET),并为业界熟知。随着越来越多的企业和大学机构对金刚石和氧化镓等新材料的探索。相信将为未来的功率功率半导体器件的发展,提供更多的发展空间。

 

化合积电为国内首家专注于金刚石功率半导体研究的企业,日前,已在蓝宝石衬底上成功制备铱单晶薄膜,可以用于2英寸高品质单晶金刚石生长。同时,公司深耕多晶金刚石,已推出多晶金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石基氮化铝、金刚石和氮化镓异质集成等,以及单晶金刚石(热学级、光学级、电子级),为客户提供丰富的金刚石产品和解决方案。


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