金刚石，功率半导体器件的终极选择！

12月5-7日，由DT新材料主办的第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024）将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛，宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛，已邀请国内外知名专家和企业莅临交流，欢迎报名。

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金刚石半导体的输出功率值为全球最高，被称为“终极功率半导体”。目前使用金刚石的电力控制用半导体的开发取得进展。与作为新一代功率半导体的碳化硅（SiC）产品和氮化镓（GaN）产品相比，耐高电压等性能出色，电力损耗被认为可减少到硅制产品的五万分之一，具有良好的应用前景。

   金刚石商业化整合现状

SiC和GaN已实现商业化，SiC器件常用于大功率转换器和逆变器，如英飞凌的CoolSiC^TM MOSFET 系列和Nexperia的1200V SiC MOSFET 系列。GaN 通常用于高速开关，以实现最低的开关损耗，如英飞凌的CoolGaN^TM 600V 系列。β-Ga₂O₃和金刚石器件目前正处于研究阶段。可以看出，尽管金刚石器件的研究起步较晚，但其高BFOM的优势已开始得到体现。根据研究，金刚石似乎是唯一一种电阻率随温度急剧下降的半导体。这是金刚石在功率方面的优势，凸显了它在电力电子领域的重要性。

然而，尽管金刚石器件具有如此理想的特性，并在研究方面取得了重大突破，但要与现有技术相结合并进一步实现商业化，还有很长的路要走。要发挥金刚石的优势，还需要进一步提高器件的性能。下面列出了对金刚石器件相关参数的期望值。

1、BV：对于二极管器件，目前垂直器件的击穿电压一般大于1kV，最高接近10kV；未来的目标是在不影响导通电流的情况下突破10kV。对于场效应晶体管，目前最高击穿电压为2~4kV；未来应突破0kV以上。

2、导通电流：大多数器件的开态电流在1~10A 之间，未来的目标应是实现10A 以上的应用。二极管的电流密度有望突破100KA/cm²，场效应管突破10A/mm。

3、开关速度：目前金刚石二极管的回转速度小于10V/ns，未来有望超过 100V/ns。

4、BFOM：目前金刚石二极管和场效应晶体管的BFOM值主要在10至10³MV/cm² 之间，理想情况下，在最大击穿场强接近10MV/cm时，BFOM值应超过10⁴MV/cm²。

   金刚石功率半导体可应用场景

1、电力电子器件：

晶闸管和IGBT：金刚石的高热导率和耐高温特性可以用于制造更高效、更可靠的晶闸管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

功率MOSFET：金刚石功率MOSFET可以在更高的电压和频率下工作，适用于高效能源转换。

2、电动汽车：

逆变器：电动汽车中的逆变器需要高效、耐高温的半导体材料，金刚石功率半导体可以提升逆变器的性能。

充电设备：快速充电站可以使用金刚石半导体来提高充电效率并减少发热。

3、可再生能源：

太阳能逆变器：金刚石半导体可以提高太阳能逆变器的效率和寿命。

风力发电：风力发电系统中的变流器可以使用金刚石功率半导体来实现更高的效率和可靠性。

4、工业应用：

电机驱动：金刚石功率半导体可用于高效率的电机驱动器，特别是在高温或恶劣环境下。

高频焊接：金刚石半导体可用于高频焊接设备，提高焊接质量和效率。

5、航空航天：

电源管理：在航空航天领域，金刚石功率半导体可用于电源管理，以实现轻量化、高效率和耐高温的电子系统。

6、军事和国防：

雷达系统：金刚石半导体可以用于雷达系统中的高频和高功率组件。

电子战：在电子战设备中，金刚石半导体的耐高温和高频特性可以提高系统的性能。

   金刚石商业化整合的挑战

在集成和商业应用方面，主要的半导体公司尚未将金刚石用于设备。以下是将金刚石与现有技术集成并实现商业应用所面临的挑战和一些解决方案：

1、材料质量和成本控制：高质量的电子级金刚石晶片生产成本高昂，而且尺寸通常较小（小于1英寸）。未来通过HPHT和MPCVD生长的晶片应超过2英寸，通过异质外延和拼接方法获得的晶片应超过4英寸。

2、掺杂技术： 目前缺乏有效的n型掺杂方法，p型掺杂孔的浓度较低。文章已经提到了寻找新的生长方向以提高掺杂效率，以及通过共掺杂实现n型掺杂的技术。未来有望获得高于10²¹cm^-3的p型掺杂浓度和高于10¹⁶cm^-3的n型掺杂浓度，从而实现大功率应用。

3、可靠性：金刚石器件的可靠性和使用寿命尚未得到充分验证。可靠性测试方面的研究较少，需要通过建立更多的模拟模型和测试实际器件来实现。

4、热管理和封装：根据研究，金刚石似乎是唯一一种电阻率随温度急剧下降的半导体。这固然是一个优点，但也带来了一些问题，即金刚石器件的最佳工作状态在不同温度下会发生变化，这给设计带来了困难。由于这种独特的温度特性，目前还没有适用于金刚石的封装技术。需要考虑电磁兼容性（EMC）问题。为了提高封装的可靠性和长期稳定性，需要使用特殊的材料和设计，并可能包括有助于散热的集成热结构。

5、器件性能：金刚石器件需要进一步提高击穿电压。目前的实验器件样品量小，参数不够稳定，而商业产品需要稳定的性能。这将通过完善掺杂技术和引入更多功率器件结构来实现，如绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、重浮结构和超级结结构，这些都依赖于p-n结的实现。

6、成本：这是金刚石商业化的一个主要障碍。目前金刚石的生产成本远远高于硅、碳化硅和氮化镓等成熟的半导体材料。用于半导体研究的金刚石材料价格是硅材料价格的几千到几万倍。

   第八届国际碳材料大会暨产业展览会

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