2024-06-12
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金剛石近年在半導(dǎo)體行業(yè)嶄露頭角，成為行業(yè)焦點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)去碳 化，行業(yè)力求更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，氮化鎵和碳化硅等材料的突破已助力行業(yè)超越硅的局限，廣泛應(yīng)用于可再生能源、電動(dòng)汽車等減碳技術(shù)。金剛石作為新興半導(dǎo)體材料，其硬度與亮度舉世聞名，曾主要用于珠寶，現(xiàn)其特性在半導(dǎo)體領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力，備受關(guān)注。
金剛石芯片的優(yōu)勢：金剛石作為半導(dǎo)體材料，具有三大優(yōu)勢：出色的熱管理、成本/效率優(yōu)化及環(huán)保減排。其電阻率隨溫度升高而降低，因此在150℃下性能更佳，無需復(fù)雜冷卻系統(tǒng)。金剛石散熱性能卓越，制成的轉(zhuǎn)換器輕小高效。在電動(dòng)汽車等應(yīng)用中，金剛石能顯著降低成本、提高效率，并減少體積和重量。與碳化硅相比，金剛石芯片成本更低、能效更高、體積更小，且熱管理更佳。金剛石將在電動(dòng)汽車等節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，市場潛力巨大。
金剛石絕緣性極高，其擊穿電場強(qiáng)度達(dá)10 MV/cm，遠(yuǎn)超過硅、SiC和GaN。其導(dǎo)熱性優(yōu)異，適用于5G元件散熱，確保穩(wěn)定運(yùn)行。金剛石襯底與氮化鎵或碳化硅結(jié)合，可制造高效能功率器件，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、可再生能源等領(lǐng)域。作為優(yōu)質(zhì)散熱器，金剛石襯底延長設(shè)備壽命，提高可靠性。隨著清潔能源和汽車電氣化的推進(jìn)，金剛石襯底將發(fā)揮關(guān)鍵作用。2023年金剛石半導(dǎo)體基材市場價(jià)值1.51億美元，預(yù)計(jì)至2030年將達(dá)3.42億美元，亞太地區(qū)將主導(dǎo)市場。
金剛石芯片的挑戰(zhàn)：高性能半導(dǎo)體材料雖優(yōu)越，但面臨成本高昂和金剛石晶片尺寸小等限制。碳化硅成本是硅的30-40倍，氮化鎵更是高達(dá)650-1300倍，金剛石材料價(jià)格更是硅的10,000倍。為突破這些局限，多家公司正致力于金剛石量產(chǎn)技術(shù)。日本佐賀大學(xué)與Orbray成功制造2英寸金剛石功率半導(dǎo)體，美國Diamond Foundry則制造出直徑約4英寸的單晶鉆石晶圓。法國Diamfab公司也在金剛石芯片技術(shù)上取得進(jìn)展，今年3月獲得870萬歐元首輪融資，由Asterion Ventures、法國政府等投資者支持。Diamfab由法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的奈爾研究所衍生，由兩位納米電子學(xué)博士和研究人員創(chuàng)辦。
Diamfab在金剛石外延和摻雜技術(shù)上取得突破，擁有四項(xiàng)專利，專注于金剛石層生長、摻雜及電子元件設(shè)計(jì)。首輪融資將助力其建立試驗(yàn)生產(chǎn)線，加速金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。Diamfab的金剛石技術(shù)實(shí)現(xiàn)高電流密度和擊穿電場，超越SiC等現(xiàn)有材料，計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓生產(chǎn)。CEO Gauthier Chicot強(qiáng)調(diào)與合作伙伴的合作及減少半導(dǎo)體碳足跡的重要性。另一初創(chuàng)公司Advent Diamond專注于金剛石半導(dǎo)體量產(chǎn)，是唯一能在基底上生長單晶摻磷金剛石的公司，實(shí)現(xiàn)了n型半導(dǎo)體的制造，并在大面積生長摻硼金剛石層上取得進(jìn)展，具備全面的元件設(shè)計(jì)、制造和表征能力。
Advent Diamond研發(fā)金剛石輻射探測器，為國防、商業(yè)和科學(xué)市場帶來變革。探測器通過摻雜和本征金剛石層展現(xiàn)卓越性能，適用于多種輻射。面臨晶片尺寸和缺陷挑戰(zhàn)，但獲機(jī)構(gòu)資助推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。致力于金剛石半導(dǎo)體性能創(chuàng)新，推動(dòng)電氣化、電信和量子領(lǐng)域發(fā)展。Akhan Semiconductor利用低溫技術(shù)打破金剛石使用限制，成功創(chuàng)建n型金剛石材料，并開發(fā)Miraj Diamond平臺。結(jié)合CMOS硅與金剛石基板制成300毫米晶圓。今年成立新公司Diamond Quanta，專注半導(dǎo)體領(lǐng)域。其“統(tǒng)一金剛石框架”技術(shù)將金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅馨雽?dǎo)體，有望重定義性能標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)代行業(yè)需求。
盡管國內(nèi)金剛石產(chǎn)量高，但在功能性應(yīng)用及材料開發(fā)上仍滯后。西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院副院長王東指出，國內(nèi)金剛石產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)，在高端領(lǐng)域落后。在CVD金剛石研究上，美、歐、日領(lǐng)先，我國原創(chuàng)研究少。盡管全球在金剛石量產(chǎn)商用上均有挑戰(zhàn)，但金剛石材料的優(yōu)異特性有望在未來推動(dòng)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
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