晶品分享：鉆石功率半導(dǎo)體 憑借其卓越的性能，即將改變從電動(dòng)汽車到發(fā)電站等各個(gè)行業(yè)。日本在鉆石半導(dǎo)體技術(shù)方面的重大進(jìn)步為其商業(yè)化鋪平了道路，并有望在未來實(shí)現(xiàn)這些半導(dǎo)體比硅器件多 50,000 倍的電力。
隨著日本在該領(lǐng)域的研發(fā)工作處于領(lǐng)先地位，Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司在批量生產(chǎn)鉆石晶片和組件方面取得了顯著進(jìn)展。隨著鉆石半導(dǎo)體的潛在商業(yè)化越來越近，該行業(yè)有望實(shí)現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)和創(chuàng)新。
主要須知事項(xiàng)：
1、金剛石半導(dǎo)體可處理比傳統(tǒng)硅器件高達(dá) 50,000 倍的電能，使其成為電動(dòng)汽車和航空航天等高需求應(yīng)用的理想選擇。
2、日本在金剛石半導(dǎo)體研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司致力于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展生產(chǎn)以滿足未來的商業(yè)需求。
3、包括與佐賀大學(xué)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在內(nèi)的大學(xué)和產(chǎn)業(yè)合作正在推動(dòng)金剛石技術(shù)走向太空應(yīng)用，增強(qiáng)其在惡劣環(huán)境下的耐用性和信號(hào)完整性。
4、隨著鉆石技術(shù)的成熟，其采用將帶來更加可持續(xù)和高效的電子設(shè)備，符合全球?qū)ι鷳B(tài)高效技術(shù)和可再生能源解決方案的發(fā)展趨勢(shì)。
金剛石半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用將如何影響電動(dòng)汽車和發(fā)電站的效率和性能，金剛石半導(dǎo)體的成功商業(yè)化需要克服哪些挑戰(zhàn)，以及日本金剛石半導(dǎo)體的出現(xiàn)將如何影響全球半導(dǎo)體市場(chǎng)動(dòng)態(tài)？
金剛石給半導(dǎo)體設(shè)計(jì)帶來了哪些挑戰(zhàn)？
現(xiàn)代社會(huì)電氣化的曙光催生了對(duì)能夠高效、可持續(xù)地處理更大負(fù)載的大功率電子設(shè)備的迫切需求。隨著我們對(duì)技術(shù)的依賴性不斷增長(zhǎng)，對(duì)支持 下一代電力電子設(shè)備的材料的需求也在不斷增長(zhǎng) 。
1、傳統(tǒng)硅在高功率應(yīng)用中的局限性
傳統(tǒng)硅雖然應(yīng)用廣泛，但其效率正日益達(dá)到極限，尤其是在高溫和高壓條件下。因此，人們的注意力轉(zhuǎn)向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等材料， 這些材料在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出了卓越的性能。然而，探索并未止步于此；長(zhǎng)期以來因其美學(xué)品質(zhì)而備受推崇的鉆石，現(xiàn)在正在研究其作為 新型功率半導(dǎo)體的潛力。
鉆石是碳的結(jié)晶形式， 不僅因?yàn)槠溆捕群土炼榷劽�因?yàn)槠渥吭降碾姎夂蜔嵝阅芏劽�。這些特性使其成為電力電子領(lǐng)域極具吸引力的候選材料。
例如，鉆石的高導(dǎo)熱性使其能夠高效散熱，這是電子設(shè)備中一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)檫^熱會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。鉆石的寬帶隙還意味著，與硅制成的設(shè)備相比，基于鉆石的設(shè)備可以在更高的電壓和溫度下運(yùn)行 。
盡管金剛石具有這些令人期待的特性， 但在將其廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域之前，仍有許多重大挑戰(zhàn)需要解決。其中一個(gè)主要障礙就是其 硬度。
2、制造金剛石基器件的挑戰(zhàn)
雖然鉆石的硬度是切割和磨損材料的理想特性 ，但它對(duì)半導(dǎo)體制造提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。切割和塑造鉆石的難度使得制造基于鉆石的設(shè)備不僅在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，而且成本高昂。
此外，金剛石在長(zhǎng)期設(shè)備應(yīng)用中的適用性受到 其隨時(shí)間推移而退化的趨勢(shì)的制約。金剛石在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性仍是一個(gè)研究課題。這種退化會(huì)影響金剛石基電子設(shè)備的性能和壽命，從而可能限制其實(shí)際應(yīng)用。
另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的鉆石技術(shù)相對(duì)較新。與數(shù)十年來一直占據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)核心的硅不同，鉆石并未受益于成熟的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。
3、鉆石新興技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)
由于金剛石在半導(dǎo)體中的新特性，研究人員和工程師在許多方面都從頭開始。這種不成熟意味著 仍有許多基礎(chǔ)工作需要完成，從開發(fā)可靠的制造工藝到了解金剛石在各種操作壓力下的長(zhǎng)期行為。
最后， 金剛石的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)使其 在生產(chǎn)過程中的操作變得復(fù)雜。制造高質(zhì)量的金剛石半導(dǎo)體需要在微觀層面上精確控制材料特性，這項(xiàng)任務(wù)涉及復(fù)雜的技術(shù)和大量的資金投入。因此，生產(chǎn)金剛石器件的成本仍然是 其在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛應(yīng)用的主要障礙。
日本研究人員接近研制出金剛石半導(dǎo)體
日本在半導(dǎo)體技術(shù)方面取得了令人矚目的飛躍， 有望 在 金剛石半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，并有可能在 2025 年至 2030 年之間實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。這些發(fā)展尤其引人注目，因?yàn)榻饎偸雽?dǎo)體以其卓越的性能和處理極端條件的能力而聞名，這可能會(huì)改變各種高需求的電子行業(yè)。
鉆石半導(dǎo)體的特點(diǎn)是能夠在極高的電壓下工作，并且能夠承受硅無法企及的高溫。它們?cè)陔妱?dòng)汽車和航空航天等耗能應(yīng)用中的應(yīng)用可能標(biāo)志著根本性的轉(zhuǎn)變，減少熱量損失并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。日本的進(jìn)步，尤其是來自大學(xué)主導(dǎo)的研發(fā)的進(jìn)步，表明日本正集中精力在競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位，而目前硅和氮化鎵等材料占據(jù)主導(dǎo)地位。
日本在先進(jìn)半導(dǎo)體研究中的作用
佐賀大學(xué)一直處于這項(xiàng)創(chuàng)新的前沿，于 2023 年開發(fā)出世界上第一個(gè)由金剛石半導(dǎo)體制成的功率器件 。這一突破是與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 合作實(shí)現(xiàn)的，重點(diǎn)是用于太空通信的高頻元件。這項(xiàng)技術(shù)的影響不僅限于地面應(yīng)用，還可能提高太空探索設(shè)備的可靠性和性能。
太空應(yīng)用對(duì)高頻元件的重視表明了金剛石在極端環(huán)境下改善信號(hào)完整性的潛力。JAXA 與佐賀大學(xué)在這些項(xiàng)目上的合作凸顯了金剛石半導(dǎo)體的吸引力，不僅因?yàn)樗鼈兊哪陀眯�，還因?yàn)樗鼈兡軌蚴剐l(wèi)星和航天器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高效的電源管理，這是可靠性至關(guān)重要的太空探索任務(wù)中的關(guān)鍵因素。
此外，總部位于東京的 Orbray 已開發(fā)出 2 英寸金剛石晶圓的量產(chǎn)技術(shù)，并正在朝著實(shí)現(xiàn) 4 英寸基板的目標(biāo)邁進(jìn)。這種規(guī)模擴(kuò)大對(duì)于滿足 電子行業(yè)的商業(yè)需求至關(guān)重要。Orbray 與英美資源集團(tuán)的合作以及與 Mirai Technologies 的合作得到了豐田和電裝等巨頭的支持，凸顯了該行業(yè)致力于將金剛石半導(dǎo)體整合到主流應(yīng)用中的承諾，包括預(yù)計(jì)在 2030 年代出現(xiàn)的車載電源設(shè)備。
1、擴(kuò)大生產(chǎn)：Orbray 向 4 英寸鉆石晶圓邁進(jìn)
隨著 Orbray 擴(kuò)大生產(chǎn)能力，業(yè)界密切關(guān)注金剛石晶片能否在高功率設(shè)備中超越硅甚至碳化硅基板。一旦實(shí)現(xiàn) 4 英寸金剛石基板的商業(yè)化，將解決生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸，使廣泛工業(yè)應(yīng)用的可行性更近一步，并使日本的半導(dǎo)體行業(yè)能夠在全球范圍內(nèi)樹立新的標(biāo)準(zhǔn)。
擴(kuò)張并未止步于此。Orbray 計(jì)劃在秋田縣建立新工廠，以提高生產(chǎn)能力，并計(jì)劃在 2029 年進(jìn)行首次公開募股。與此同時(shí)，Power Diamond Systems 和 Ookuma Diamond Device 等初創(chuàng)公司分別在加強(qiáng)該技術(shù)在電力效率和環(huán)境清潔方面的應(yīng)用。早稻田大學(xué)的衍生公司 Power Diamond Systems 正在增強(qiáng)這些設(shè)備的載流能力，而 Ookuma Diamond Device 則專注于將它們部署到福島第一核電站用于核廢料清除，展示該材料對(duì)高輻射的抵抗力。
2、新興創(chuàng)業(yè)公司和環(huán)境應(yīng)用
這種韌性不僅對(duì)輻射量大的應(yīng)用至關(guān)重要，而且還能增強(qiáng)金剛石在核電設(shè)施等高壓環(huán)境中的適用性。通過將這些設(shè)備應(yīng)用于核廢料清除，Ookuma Diamond Device 等公司展示了金剛石半導(dǎo)體如何在能源和環(huán)境領(lǐng)域帶來變革，為傳統(tǒng)材料提供持久的替代品。
這個(gè)蓬勃發(fā)展的行業(yè)不僅彰顯了日本研發(fā)的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新精神 ，還凸顯了材料科學(xué)的重大轉(zhuǎn)變，即金剛石半導(dǎo)體可能成為未來電子和電力設(shè)備的基石。隨著這些技術(shù)的成熟，從電動(dòng)汽車到航空航天等各個(gè)領(lǐng)域都有可能被廣泛采用，這可能會(huì)為該行業(yè)樹立新的標(biāo)準(zhǔn)，有望使這些設(shè)備 不僅 比硅基設(shè)備更堅(jiān)固，而且效率更高。
3、鉆石在主流應(yīng)用中的未來
將金剛石半導(dǎo)體融入能源密集型技術(shù)可以降低整體功耗，同時(shí)提高可靠性，這一組合可滿足日益增長(zhǎng)的可持續(xù)性需求。隨著各行各業(yè)繼續(xù)優(yōu)先考慮生態(tài)高效技術(shù)，鑒于金剛石具有卓越的熱管理和電力能力，轉(zhuǎn)向基于金剛石的解決方案可能會(huì)進(jìn)一步激勵(lì)人們轉(zhuǎn)向可再生能源。
日本在鉆石半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，凸顯了全球競(jìng)相開發(fā)先進(jìn)材料以突破電子設(shè)計(jì)界限的趨勢(shì)。鉆石技術(shù)有可能同時(shí)滿足監(jiān)管和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，符合可持續(xù)發(fā)展的未來，使日本的研發(fā)工作在國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域中脫穎而出。
金剛石可以取代其他高功率半導(dǎo)體器件嗎？
金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)并不意味著 GaN 或 SiC 的過時(shí)，而是標(biāo)志著工程師可用材料的多樣化。每種材料都有其獨(dú)特的 特性 ，使設(shè)計(jì)更復(fù)雜、更個(gè)性化的電子系統(tǒng)成為可能。作為工程師和科學(xué)家，我們的任務(wù)不是尋找一種“最佳”半導(dǎo)體材料，而是了解和利用每種材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并與其他材料和諧相處。
隨著金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化，它 確實(shí)將 開辟新的創(chuàng)新途徑。工程師將面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以突破電子設(shè)計(jì)的可能性界限。探索 金剛石在電子領(lǐng)域的潛力不僅涉及采用新材料，還涉及重新思考我們解決工程問題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法。
雖然 人們對(duì)金剛石半導(dǎo)體的興奮是 所當(dāng)然的，但保持平衡的觀點(diǎn)至關(guān)重要。半導(dǎo)體技術(shù)的未來很可能以多種材料的混合為特征，每種材料都因其能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式滿足特定的技術(shù)要求而被選中。金剛石、GaN 和 SiC 半導(dǎo)體之間的相互作用將塑造下一代電子設(shè)備，推動(dòng)創(chuàng)新，同時(shí)解決成本和特定應(yīng)用需求的實(shí)際情況。這種細(xì)致入微的方法將確保半導(dǎo)體技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，滿足現(xiàn)代世界不斷擴(kuò)展的應(yīng)用范圍。
