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過去幾十年里，我們見證了電力電子領(lǐng)域的變革性發(fā)展。從雙極型晶體管開始，歷經(jīng) MOSFET，再到碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體，每一次技術(shù)革新都帶來了更高的性能、更高的效率以及電力系統(tǒng)的微型化。

而今天，我們正站在一個(gè)激動(dòng)人心的門檻上，這可能標(biāo)志著電力器件性能向著傳說中的 99.99% 效率邁進(jìn)的又一次飛躍：那就是使用合成金剛石作為半導(dǎo)體材料。對(duì)于電力電子工程師們來說，這真是一項(xiàng)令人興奮的突破。

圖1：材料特性決定性能

在半導(dǎo)體領(lǐng)域使用鉆石是否現(xiàn)實(shí)？

這個(gè)想法聽起來或許有些異想天開，甚至有些天方夜譚。畢竟，鉆石傳統(tǒng)上與珠寶、工業(yè)應(yīng)用（例如研磨劑）以及切割、鉆孔、研磨和拋光機(jī)械，或用于實(shí)驗(yàn)室高壓實(shí)驗(yàn)聯(lián)系在一起，而非用于電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或射頻放大器。

然而，多年來，科學(xué)界一直公認(rèn)鉆石是散熱性能最佳的材料，其導(dǎo)熱性遠(yuǎn)超硅等傳統(tǒng)材料。盡管如此，鉆石固有的硬度和加工的復(fù)雜性使其此前一直不適用于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

在深入探討鉆石的性能和優(yōu)勢(shì)之前，有必要概述一下鉆石在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展歷程。這段歷史始于1954年，當(dāng)時(shí)通用電氣公司（GE）成功利用高溫高壓（HPHT）法合成了第一顆人造鉆石，標(biāo)志著人類首次成功制造鉆石。繼這一里程碑之后，20 世紀(jì) 80 年代見證了化學(xué)氣相沉積 (CVD) 法首次用于合成金剛石，隨后在 20 世紀(jì) 90 年代又探索了摻雜工藝。此后，合成金剛石的研發(fā)人員在表征、制造和加工等方面不斷拓展對(duì)這種材料的認(rèn)知。

然而，材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步正迅速將合成金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥戆雽?dǎo)體領(lǐng)域的有力競(jìng)爭(zhēng)者。讓我們來探討一下為什么金剛石被認(rèn)為是一種卓越的材料，它與傳統(tǒng)的寬禁帶半導(dǎo)體（如碳化硅和氮化鎵）相比有何優(yōu)勢(shì)，以及在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化成熟之前還存在哪些障礙。

技術(shù)演進(jìn)的階梯

我們過去常說，電力電子技術(shù)的發(fā)展就像階梯，一次次重大突破將新技術(shù)從研發(fā)推向市場(chǎng)，從而提升性能。金剛石半導(dǎo)體或許可以被視為下一個(gè)階段，但有些人認(rèn)為它面臨的挑戰(zhàn)太大，難以實(shí)現(xiàn)。

值得注意的是，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的成功也并非一蹴而就。我記得上世紀(jì) 90 年代末，SiC 功率二極管剛上市時(shí)，價(jià)格昂貴、制造難度高，而且可靠性也存在問題。GaN 的商業(yè)化進(jìn)程起步較晚，最初應(yīng)用于射頻領(lǐng)域，后來發(fā)展成為高效功率晶體管，廣泛應(yīng)用于從快速充電器到數(shù)據(jù)中心電源等各種設(shè)備。

毫無疑問，傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)而持續(xù)改進(jìn)。然而，SiC 和 GaN 的成功主要得益于行業(yè)對(duì)更高電壓、更高效率和更高開關(guān)頻率的需求，以縮小最終設(shè)備的尺寸。

如今，從電動(dòng)汽車到太陽能逆變器，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的應(yīng)用無處不在。寬禁帶 (WBG) 材料顯著降低了器件的尺寸、重量和功耗 (SWaP)，讓我們得以享受到功能強(qiáng)大、節(jié)能高效且體積小巧的 USB 適配器。

氮化鎵 (GaN) 憑借其高電子遷移率和低電容，在高頻開關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，碳化硅 (SiC) 在中高壓范圍內(nèi)找到了用武之地，取代了電動(dòng)汽車和工業(yè)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中的 IGBT 和硅 MOSFET。

然而，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 都存在局限性。某些在高溫和惡劣環(huán)境下運(yùn)行的應(yīng)用可能需要更高的性能和更強(qiáng)的穩(wěn)定性，而金剛石的特性恰恰能夠滿足這些需求，并帶來變革性的影響。

鉆石優(yōu)勢(shì)一覽

要了解鉆石的潛力，我們必須從材料科學(xué)入手。在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，材料在高功率、高頻或高溫應(yīng)用中的性能取決于其關(guān)鍵的物理性質(zhì)。我們?cè)诒砀瘢▓D 01）中列出了硅、碳化硅、氮化鎵和鉆石的基本性質(zhì)，并選取了四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以便于比較不同材料的性能和優(yōu)勢(shì)：

一、帶隙

帶隙是衡量材料導(dǎo)電能力的重要指標(biāo)，也是判斷其是否適用于高溫或高能環(huán)境的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。更寬的帶隙意味著更強(qiáng)的抗漏電和抗擊穿能力，這對(duì)于極端條件下的應(yīng)用至關(guān)重要。在這方面，鉆石遠(yuǎn)勝其他所有材料。其 5.5 eV 的寬帶隙使得器件能夠在更高的電壓和溫度下工作。

二、擊穿場(chǎng)強(qiáng)

擊穿場(chǎng)強(qiáng)是指材料在發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象之前抵抗電應(yīng)力的能力。值得注意的是，對(duì)于在高壓下工作的器件，尤其是電力電子器件而言，更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)至關(guān)重要。這是因?yàn)榇_保器件在極端電負(fù)載下的最佳性能至關(guān)重要。

金剛石的理論臨界電場(chǎng)強(qiáng)接近 10 MV/cm，是氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 的三倍，是硅的 30 多倍。這使得在相同額定電壓下，器件可以做得更薄，從而降低電阻并提高效率。這也為額定電壓為 10 kV、20 kV 甚至 50 kV 的器件鋪平了道路，有望徹底改變高壓直流 (HVDC) 輸電、電氣化鐵路和并網(wǎng)能源系統(tǒng)。

三、電子遷移率

電子遷移率是指電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速度。它是電子開關(guān)和信號(hào)傳播的關(guān)鍵組成部分，而電子開關(guān)和信號(hào)傳播過程往往快速發(fā)生。提高這些器件中的電子遷移率可以改善數(shù)字電路和高頻模擬器件的性能。盡管氮化鎵 (GaN) 和金剛石的電子遷移率相近，但金剛石器件可能具有更高的飽和速度，從而實(shí)現(xiàn)極快的開關(guān)速度、極低的導(dǎo)通電阻和更低的損耗。這有望將開關(guān)頻率推向新的高度，進(jìn)一步縮小變壓器和電感器等磁性元件的尺寸。

四、導(dǎo)熱系數(shù)評(píng)估

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料傳熱能力的一項(xiàng)材料特性。在電子領(lǐng)域，高導(dǎo)熱系數(shù)至關(guān)重要。該特性對(duì)于有效散熱至關(guān)重要，從而防止過熱，提高器件的可靠性和使用壽命。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 20 W/cmK，是目前已知材料中最高的，使其在散熱方面表現(xiàn)卓越，而散熱一直是電力電子領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

眾所周知，熱管理是高性能系統(tǒng)中成本最高且限制性能的因素之一。例如，氮化鎵 (GaN) 通常需要碳化硅等特殊襯底來避免過熱。

金剛石無與倫比的散熱能力可使器件在超過 400°C 的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更堅(jiān)固的系統(tǒng)，尤其是在航空航天和高溫應(yīng)用領(lǐng)域。

我們目前處于什么階段？

盡管備受矚目，金剛石半導(dǎo)體尚未實(shí)現(xiàn)主流化生產(chǎn)。但過去十年間，尤其是在化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)引領(lǐng)下的合成金剛石制備方面，取得了顯著進(jìn)展。CVD 技術(shù)能夠制備大面積、超純的單晶金剛石晶片——這是制造可靠半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵前提。

如今，實(shí)驗(yàn)室已成功演示了具有良好特性的金剛石肖特基二極管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。然而，由于制造成本、缺陷密度、摻雜控制和可擴(kuò)展性等因素的限制，其全面商業(yè)化仍處于早期階段。不過，

最新的研究成果令人振奮，現(xiàn)在也取得一些值得關(guān)注的進(jìn)展。

回首往事，我的感受與當(dāng)年碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 處于研究階段時(shí)一樣。作為一名電力電子工程師，我曾深入研究大量關(guān)于寬禁帶技術(shù)及其前景的論文，撰寫文章并在會(huì)議上發(fā)表，與電力電子界分享我的熱情。二十年后，這些前景已成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)。

經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究，金剛石在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用正邁向新的階段，即預(yù)工業(yè)化和構(gòu)建支持未來商業(yè)產(chǎn)品的生態(tài)系統(tǒng)。

要列舉金剛石半導(dǎo)體行業(yè)近期發(fā)生的所有重大進(jìn)展幾乎是不可能的。在本文中，我們分享一些在日本和法國(guó)（歐盟）的杰出項(xiàng)目，但可以肯定的是，美國(guó)也取得了許多類似的進(jìn)展。

一、日本

據(jù)悉，首個(gè)采用合成金剛石半導(dǎo)體的功率電路是由日本一所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。佐賀大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在笠誠(chéng)教授的帶領(lǐng)下，探索了金剛石半導(dǎo)體可能超越硅和其他現(xiàn)有材料的假設(shè)，并由此展開了金剛石半導(dǎo)體的研究，最終開發(fā)出一種采用金剛石制成的功能性n溝道MOSFET晶體管。

日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的另一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)是福島第一核電站（NPS）的停運(yùn)。2011年3月11日，東日本大地震引發(fā)的海嘯導(dǎo)致福島第一核電站停運(yùn)。在核反應(yīng)堆退役過程中，一項(xiàng)研究計(jì)劃于2012年啟動(dòng)，旨在開發(fā)能夠在受損核電站惡劣環(huán)境下運(yùn)行的金剛石半導(dǎo)體，該核電站曾遭受高輻射污染。

該項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)，得益于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）、日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAEA）、北海道大學(xué)和高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）等知名機(jī)構(gòu)的技術(shù)專長(zhǎng)匯聚。

目標(biāo)明確：設(shè)計(jì)一種關(guān)鍵方法，利用能夠承受高輻射水平的金剛石半導(dǎo)體來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而提供包括燃料碎片中子劑量在內(nèi)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此舉旨在確保碎片清除計(jì)劃更加安全高效。

作為該項(xiàng)目的一部分，由北海道大學(xué)和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）聯(lián)合創(chuàng)辦的初創(chuàng)公司大熊金剛石器件株式會(huì)社（Ookuma Diamond Device Co., Ltd.）建立了一套垂直整合的金剛石半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，涵蓋從襯底設(shè)計(jì)到組裝全球首個(gè)采用金剛石半導(dǎo)體的差分放大器電路的所有環(huán)節(jié)。該電路已證實(shí)可在高溫環(huán)境（300°C）下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，其最新原型如圖所示。

2025年初，有報(bào)道稱先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）與本田研發(fā)公司合作，成功制造出氫端金剛石MOSFET原型。這一突破首次實(shí)現(xiàn)了安培級(jí)高速開關(guān)操作，是半導(dǎo)體研發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)步。高枝圭太等人的研究團(tuán)隊(duì)增大了襯底尺寸，并開發(fā)了并聯(lián)布線技術(shù)，從而提高了電流。未來，他們計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于下一代移動(dòng)電源設(shè)備。目前，他們正在驗(yàn)證初步結(jié)果，這將為更高電流的金剛石MOSFET的研發(fā)鋪平道路。

二、歐洲

歐洲開展了多個(gè)項(xiàng)目，其中值得一提的是于2014年1月啟動(dòng)的“地平線2020”（Horizon 2020）研究與創(chuàng)新框架計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是加強(qiáng)歐盟的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)建一個(gè)歐洲研究區(qū)，促進(jìn)研究人員和知識(shí)的自由流動(dòng)，并推動(dòng)歐盟向知識(shí)型社會(huì)和具有競(jìng)爭(zhēng)力的經(jīng)濟(jì)體邁進(jìn)。

作為“地平線2020”計(jì)劃的一部分，由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）協(xié)調(diào)的子項(xiàng)目“基于金剛石功率器件的綠色電子技術(shù)”旨在探索這項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)的可能性和可行性，并為此組建了一個(gè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟匯集了功率器件設(shè)計(jì)、金剛石生長(zhǎng)與表征、封裝與測(cè)試以及創(chuàng)新型終端用戶方面的專家。大多數(shù)合作伙伴也參與了碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）技術(shù)的研究，這使得該項(xiàng)目能夠受益于他們?cè)趯拵栋雽?dǎo)體領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)和成就。

在該項(xiàng)目下發(fā)布的眾多重要報(bào)告中，作為下一階段工作的一部分，我想特別提及法國(guó)公司Diamfab。該公司由首席執(zhí)行官Gauthier Chicot和首席技術(shù)官Khaled Driche于2019年3月創(chuàng)立，隸屬于法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）下屬的Néel研究所。自成立以來，Diamfab已建立起一個(gè)合作網(wǎng)絡(luò)，致力于鉆石合成技術(shù)的發(fā)展，并開發(fā)肖特基二極管和MOSFET晶體管等尖端元件（如圖）。

在研究方面，值得一提的是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 (CNRS) 內(nèi)爾研究所、等離子體與能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室 (LAPLACE，CNRS/圖盧茲理工學(xué)院/圖盧茲大學(xué)) 以及 DIAMFAB 公司的合作。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種金剛石晶體管，實(shí)現(xiàn)了 50 mA 的創(chuàng)紀(jì)錄體電流傳導(dǎo)。該器件是一種采用體傳導(dǎo)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET)。

該團(tuán)隊(duì)成功制備了摻雜硼的均勻金剛石層，且無任何有害缺陷。因此，他們得以增大晶體管及其柵極的有效體積，其柵極尺寸達(dá)到 14.7 mm，并具有 24 個(gè)平行指狀結(jié)構(gòu)。該晶體管不再是簡(jiǎn)單的微型演示器件，而是一個(gè)真正可用的器件，預(yù)示著金剛石晶體管技術(shù)擁有良好的發(fā)展前景。

愿景：鉆石將引領(lǐng)我們走向何方？

想象一下，效率高達(dá) 99.9%、開關(guān)頻率高達(dá) 1 MHz、無需笨重冷卻系統(tǒng)的電動(dòng)汽車逆變器。想象一下，超緊湊型太空電源模塊能夠在月球或火星的極端溫度和輻射環(huán)境下正常工作。或者設(shè)想一下，運(yùn)行電壓高達(dá) 100 kV 的智能電網(wǎng)，其嵌入式傳感器由鉆石集成電路供電。這些愿景聽起來或許有些超前——但 25 年前的 SiC/GaN 也同樣如此。

如果研發(fā)持續(xù)進(jìn)行，在未來二十年內(nèi)，基于鉆石的半導(dǎo)體有望成為超高功率、高可靠性應(yīng)用的首選平臺(tái)。各國(guó)政府和私營(yíng)企業(yè)正加大對(duì)鉆石研發(fā)的投入，將其視為一項(xiàng)具有能源和國(guó)防雙重意義的戰(zhàn)略技術(shù)。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，材料決定了極限——而鉆石則重新定義了這些極限。雖然商業(yè)化應(yīng)用可能還需要數(shù)年時(shí)間，但鉆石所展現(xiàn)出的性能上限不容忽視。隨著電力電子技術(shù)對(duì)更高效率、更高電壓和更小尺寸的需求不斷增長(zhǎng)，業(yè)界必須密切關(guān)注這種珍貴的材料。

正如我們從硅過渡到寬禁帶碳化硅（WGBG）和氮化鎵（GaN），從而推動(dòng)電動(dòng)汽車和可再生能源領(lǐng)域的突破一樣，下一個(gè)前沿領(lǐng)域很可能就誕生于碳的最堅(jiān)硬形式——鉆石，它將為終極功率半導(dǎo)體平臺(tái)鋪平道路。

正如我們應(yīng)對(duì)以往的創(chuàng)新浪潮一樣，我們這些身處該領(lǐng)域的人必須做好準(zhǔn)備——不僅要具備技術(shù)實(shí)力，更要擁有豐富的想象力和求知欲。

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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