在能源意识日益增强的世界中，对具有最高效率和功率密度的大功率应用的需求正在蓬勃发展。随着硅接近其物理极限，半导体行业正在探索宽带隙 (WBG) 材料，尤其是碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 以及更进一步的金刚石。
特斯拉于 2018 年启动 SiC 功率器件市场，成为第一家在其 Model 3 中使用 SiC MOSFET 的汽车制造商 。多年来，特斯拉一直是 SiC 市场增长的主要贡献者。但在特斯拉宣布其下一代动力总成将使用永磁电机后，该行业陷入了恐慌，这将减少 75% 的 SiC 使用。
“碳化硅是一种了不起的半导体，但它也很昂贵，而且很难规模化。因此，减少使用它对我们来说是一个巨大的胜利，”特斯拉动力总成工程副总裁科林坎贝尔在 3 月 1 日的特斯拉 2023 投资者日活动中表示。
减少 75% 似乎令人担忧，但这个数字并不能说明全部情况。Yole Intelligence 在 3 月中旬表示，SiC 器件市场预计将以超过 30% 的复合年增长率增长，到 2027 年将超过 60 亿美元，其中汽车预计将占该市场的 80% 左右。
“我们估计未来几年不会有颠覆性的电力电子技术进入市场，因为上一次重大颠覆——SiC 和 GaN 的出现——仍在发挥作用，并正在抢占传统硅市场的份额， Yole Intelligence 电力和无线部门的电力电子活动团队首席分析师 Ana Villamor 说。“尽管如此，一些正在开发的技术将在长期内取得成果，例如金刚石、SiC IGBT 和氧化镓。”
SiC 和 GaN 有着光明的未来，但金刚石很可能被证明是用于高功率电子应用的最终 WBG 半导体材料。
“金刚石是高压操作、高温应用或高频开关的理想选择，”Diamfab 的联合创始人兼首席技术官 Khaled Driche 说。“金刚石的临界电场比 Si 高 30 倍，比 SiC 高 3 倍。它也是一种非常好的散热器，导热系数比铜高 5 倍。”
然而，金刚石是一种与众不同的半导体。Diamfab 首席执行官兼联合创始人 Gauthier Chicot 说：“它的优势也是合成它的障碍，这就是 Diamfab 的用武之地。”
Diamfab 总部位于法国格勒诺布尔，是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的衍生公司，其基础是法国国家科学研究中心 (Institut Néél-CNRS) 对高质量合成金刚石生长 30 年的宽带隙研究半导体团队 (SC2G)。Diamfab 项目成立于 2016 年，并于 2019 年注册成立。
“我们通过独特的控制合成和掺杂金刚石外延层；因此，生长金刚石掺杂层的堆叠以形成高附加值晶圆，为器件制造做好准备，”Driche 说。
在制造金刚石器件所需的所有工业过程中，外延层的生长是最关键的过程之一，因为大部分电气性能取决于这些有源层的质量。
潜在应用范围从配备 基于金刚石的电力电子设备的电动汽车 (EV) 到电池寿命为 20 年的物联网设备、配备一系列集成检测器的医疗保健设备以及配备超精密量子传感器的自动驾驶汽车。
提高电源效率
与现有半导体材料相比，金刚石具有三大主要优势：热管理、成本/效率优化和二氧化碳减排。
冷却系统是所有传统电源转换器中的笨重部件。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率随温度升高而降低。因此，用这种材料制成的设备在 150 摄氏度（功率设备的典型工作温度）下的性能优于室温。Driche 说，虽然必须付出相当大的努力来冷却暴露在高工作温度下的 Si 或 SiC 设备，但可以简单地让金刚石在工作期间找到稳定状态。
金刚石也是很好的散热体。凭借更少的耗散损耗、更好的散热能力和在高温下运行的能力，由金刚石有源器件制成的转换器比基于 Si 的解决方案轻 5 倍，比基于 SiC 的解决方案轻 3 倍，Driche补充道。
在设计设备和转换器时，必须在系统的能效与其成本、尺寸和重量之间找到权衡。Diamond 也不例外，但 Diamfab 相信钻石可以为关键参数带来价值，以实现更节能的电动汽车。
如果重点是降低器件成本，则有可能设计出比 SiC 芯片便宜 30% 的金刚石芯片，因为对于相同的电气性能，金刚石芯片所消耗的金刚石面积比同等 SiC 芯片少 50 倍和效率，但具有更好的热管理。
如果重点是效率，与 SiC 相比，金刚石可以将能量损失减少三倍，芯片尺寸缩小 4 倍，从而直接节省能源消耗。
如果重点是系统体积和重量，通过允许增加开关频率，与基于 SiC 的转换器相比，金刚石器件可以将无源元件的体积减少四分之一 。这种体积减少被添加到较小的散热器所允许的体积减少中。
每辆电动汽车中的钻石
电动汽车是 Diamfab 的优先领域，它最近申请了用于电动汽车的全金刚石电容器的专利。当被问及细节时，Driche 说全金刚石电容器的想法是在一家工业电容器制造商表示正在寻找一种无源元件解决方案来保护二极管和晶体管等基于 SiC 和 GaN 的有源元件时出现的，因为有源器件承受的电压峰值高于其承受能力 (>1,500 V)。
“金刚石的最大优势之一是它能够在高温下工作。因此，全金刚石电容器可以放置得更靠近其他组件——这对于传统电容器来说是不可能的——而且我们可以使用金刚石电容器减少寄生电感，”Driche 说。在这里，金刚石被用作绝缘体和导体。
Diamfab 表示，它预计在十年内所有电动汽车中都会出现金刚石，就像其位于格勒诺布尔的邻居 Soitec 推动绝缘体上硅在每部智能手机中的地位一样。
双重商业模式
在价值链中，Diamfab 在材料和设备之间的接口处运作。它定义了一种双重商业模式，在这种模式下，它将直接销售其技术，并通过面向应用的战略合作伙伴关系和联盟进行销售。
首先，Diamfab期望向综合设备制造商销售高附加值的金刚石晶圆和金刚石组件的制造工艺。其次，Diamfab 打算通过共同开发的方式直接向*终用户销售高性能金刚石设备。
“基板晶圆是我们用来添加技术的基础——即具有导电特性的金刚石层——我们称之为高附加值晶圆，”Chicot 说。“我们正在为非电子金刚石晶圆带来价值，并使其准备好在铸造厂进行加工。”
Diamfab 目前正在与合作伙伴合作开发高性能设备，包括二极管、晶体管、电容器、 量子传感器 和高能探测器。
金刚石晶圆
鉴于社会日益电气化，金刚石的前景一片光明，但要使该技术成为工业现实，仍需克服许多障碍。
合成技术的进步使得生产具有可预测特性和一致性能的工程合成钻石成为可能。第一批合成钻石是在 1950 年代使用高压和高温生产的。在 20 世纪 80 年代，晶圆级钻石是使用化学气相沉积 (CVD) 生产的。
“近年来在 CVD 合成技术方面取得的技术进步大大加快了该技术的发展，钻石的时代从未如此接近，”Chicot 说。“最近展示的大4 英寸的大晶圆，以及许多研发中心和现在的工业合作伙伴对开发二极管、晶体管和电容器的兴趣日益浓厚，都证明了这一点。”
将晶圆直径从 0.5 英寸扩大到 4 英寸可以让 Diamfab 获得汽车市场所需的竞争力。
至于其他障碍，这家初创公司认为减少错位可以提高组件制造产量。Diamfab 还在探索多种途径来实现垂直组件架构，以提高电流密度。
该公司承认，Diamfab 正在与潜在投资者进行谈判，以实现其技术和业务目标。Chicot 说，第一轮 300 万欧元（约合 330 万美元）的股权正在进行中，以允许安装试验线工厂，这将有可能开发可再生的产品，准备好进行加工并投入大规模生产。
当被问及 Diamfab 预计何时进入量产时，该公司首席执行官说：“今天，我们能够为公共和私人研究实验室生产高附加值的金刚石晶圆。在购买了我们的机器和试验场地后，我们将能够通过增加产量和营业额来继续生产。我们的目标是在未来五到七年内增加我们的产量，主要是通过响应电动汽车市场。”
提高电动汽车的能源效率意味着降低能源消耗， 但这不应以能源密集型和污染制造过程为代价。Driche 表示，金刚石晶圆的生产“二氧化碳排放量比碳化硅晶圆的生产低 20 倍”。
“SiC 需要非常高的温度，高达 2,700 摄氏度，持续数天，而用于合成金刚石晶片的 CVD 技术在温度低 3 倍的情况下完成，”他说。“考虑到金刚石材料的[表面积要求]较低，并且与电动汽车相关，用于功率元件的半导体材料的二氧化碳足迹可以除以金刚石高达 1,000 倍。”
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