钻石半导体技术

半导体技术

晶圆片的新时代:单晶金刚石晶圆片

1956年,雷神公司(Raytheon)制造出的第一块硅晶片为现代技术时代奠定了基础。花了30年的时间,他们将晶圆的尺寸从第一个晶圆的1英寸增加到经济高效的商业生产所需的6-8英寸。但是从那以后,它一直为微电子提供动力,太阳能行业的体量和成本需求最终使硅晶片真正变得便宜。

雷神公司(Raytheon)

在Diamond Foundry,我们正在开发世界上第一个用于半导体应用的单晶金刚石晶片。这是数十年来一直被技术专家们所忽视的发展,直到最近,随着新的等离子体反应器技术进步和突破性科学技术的融合,才使之成为可能。挑战在于,种植钻石通常需要在另一颗钻石上种植。所以开发晶圆尺寸的钻石不能依赖世界上存在的钻石来制造,因为世界上没有这样的尺寸。

当Diamond Foundry捐赠了由Jony Ive和Marc Newson设计的全钻戒指,并在苏富比拍卖行在Bono的(red)巴塞尔艺术展上拍卖时,这引起了全世界的关注。然而,很少有人认识到这枚戒指背后的含义:这是第一个在不依赖世界上现有钻石的情况下创造出来的一英寸金刚石晶圆——这一基本技术如今使单晶金刚石晶圆能够应用于半导体行业。

苏富比拍卖行在Bono的(red)巴塞尔艺术展上拍卖

从根本上讲,行业对金刚石晶圆的极大兴趣与金刚石的极端特性有关,而金刚石的极端特性远远超过了硅和其他半导体材料。半导体应用材料的效用通常以灵敏值来衡量——这些因素是钻石所不具备的。钻石具有的“功率半导体性能因数”比硅高出10,000倍,因此基于钻石的半导体材料具有实现空前的功率密度,速度和性能的潜力。

碳化硅氮化镓钻石
带隙(eV)1.13.23.445.5
击穿场(MV / cm)0.33520
载流子迁移率(cm2/Vs)14509004404500
空穴迁移率(cm2/Vs)4801202003800
导热系数(W / cm.K)1.551.5-324
巴利加优值129091017200

在Diamond Foundry,我们的专有等离子体反应器技术被设计用来制造200mm单晶金刚石晶圆,我们希望这一创新成为未来半导体技术的基础。单晶金刚石晶片使5G通信和卫星射频功率技术取得关键进展;也可用于电动汽车的电力电子产品。

没有其他生产钻石的方法——无论是通过采矿,高压容器还是先进的等离子反应器——可以生产现代集成制造所需的晶片。Diamond Foundry现在能够在集成设备制造商要求的晶圆尺寸区域上生产钻石-我们已经证明了将钻石尺寸缩放到世界上现有尺寸的能力。

推动5G网络,卫星和电动汽车的发展

推动5G网络,卫星和电动汽车的发展

在卫星、5G基站、电动汽车、可再生能源发电和传输、激光雷达等领域,散热已成为电力电子和射频电源应用效率更高的关键限制因素。事实上,用于5G基站的GaN-on-SiC(碳化硅晶片上的氮化镓半导体)射频功率器件的典型热流密度与太阳表面的热流密度一样高!

能源效率差是无法在最先进的电子设备中很好地管理热通量的结果之一。例如,即使电池容量相同,特斯拉S的续航里程也是奥迪eTron的两倍,部分原因是因为特斯拉使用了更高效的非硅电力电子设备。

金刚石是最极致的热通量基材,最近研究显示出其性能大大优于硅和碳化硅。例如,一个4W氮化镓晶体管在钻石上保持接近室温,而在硅上产生了烧结热:传统的热量管理方法由于极端条件而失败。但是用金刚石作为基底可以提供最极致的半导体性能。

钻石半导体

钻石半导体

除了作为最极致的热通量基材之外,由于其独特的材料特性,作为半导体的金刚石比硅的性能要高23,000倍,比氮化镓的性能要高120倍,比碳化硅的性能要高40倍。由此可知,钻石可以胜任高功率密度应用。单晶形式的金刚石可以直接用作半导体,从而完全替代氮化镓和碳化硅半导体。半功率单晶金刚石(SCD)为基底上的横向高迁移率场效应晶体管和掺杂SCD基底上的垂直肖特基势垒二极管器件都被用于功率电子应用设备,这些设备也用于氮化镓和碳化硅半导体。

类似地,钻石半导体在角逐高电压,大电流电力电子市场的位置上独具一格,同样,钻石也有独特的地位来取代真空管,真空管在今天的高功率无线通信中仍然很常见,如广播站、通信卫星和雷达。诸如氮化镓,碳化硅,硅,砷化镓或磷化铟之类的其他半导体都没有类似的适配程度可以适合于高功率无线通信。行业标准尺寸为6英寸或8英寸的单晶金刚石晶片是实现这一机会的关键因素。在Diamond Foundry,我们正在与世界各地的合作伙伴合作,以促进沟通,使能源更高效,更强大。

广播站、通信卫星和雷达