金刚石半导体，又近了一步

金刚石对于半导体行业来说是一种很有前景的材料，但将其切成薄片具有挑战性。在最近的一项研究中，千叶大学的一个研究小组开发了一种新型激光技术，可以沿最佳晶体平面切割钻石。这些发现将有助于使该材料在电动汽车的高效电力转换和高速通信技术方面具有成本效益，也让金刚石半导体又走近了一大步。

        尽管它们具有对半导体行业有吸引力的特性，但由于缺乏有效地将它们切成薄晶圆的技术，其应用受到限制。因此，晶圆必须一张一张地合成，这使得制造成本对于大多数行业来说都过高。

千叶大学工程研究生院的教授领导的日本研究小组找到了解决这个问题的方法。基于激光的切片技术用于沿着最佳晶面干净地切片钻石，生产光滑的晶圆。他们的研究由千叶大学科学与工程研究生院的硕士生和前博士生共同撰写。

        为了防止不良裂纹在晶格上传播，研究人员开发了一种加工技术，将短激光脉冲聚焦到材料内狭窄的锥形体积上。

       “集中激光照射将钻石转化为非晶碳，其密度低于钻石。因此，激光脉冲修饰的区域密度会降低，裂纹也会形成。”教授说道。通过将这些激光脉冲以方形网格图案照射到透明样品上，研究人员在材料内部创建了一个由容易出现裂纹的小区域组成的网格。如果网格中修改区域之间的空间和每个区域使用的激光脉冲数量是最佳的，则所有修改区域通过优先沿{100}平面传播的小裂纹相互连接。因此，只需将锋利的钨针推到样品侧面，即可轻松将具有 {100} 表面的光滑晶圆与块体的其余部分分离。

       金刚石切片能够以低成本生产高质量的晶圆，对于制造金刚石半导体器件是必不可少的。因此，这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率。

金刚石晶圆初创公司，挑战碳化硅

       法国初创公司 Diamfab 正在寻求以双重商业模式利用其金刚石外延晶片来应对碳化硅器件。

根据这种新方法，该公司将直接并通过面向应用的战略合作伙伴关系和联盟销售其技术。该战略旨在实现一个可扩展的模型，结合了内部能力和扩展的合作伙伴生态系统，以设计和构建二极管、晶体管、电容器、量子传感器和高能探测器。

       第一个目标市场是电动汽车电容器，金刚石半导体相对于现有电容器技术和碳化硅的优势可以减小尺寸并提高车辆整个生命周期的性能。

    “我们已经申请了全金刚石电容器的专利，并正在与该领域的领先企业合作，”Diamfab 首席执行官说道。“在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过 1000A/cm2 的高电流密度和大于 7.7MV/cm 的击穿电场。这些是未来设备性能的关键参数，并且已经优于 SiC 等现有材料为电力电子设备提供的参数。此外，我们有一个明确的路线图，到 2025 年实现 4 英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”

       Diamfab 于 2019 年推出，是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的功劳。它开发了利用微波产生的等离子体在受控温度和压力条件下合成和掺杂金刚石外延层的IP。这会将甲烷分子裂解成碳，然后碳在钻石种子的表面上重新排列。同时，添加精确且受控数量的硼或氮以生长金刚石掺杂层并形成准备用于器件制造的高附加值晶圆。     

      “过去两年，我们与研发团队合作，在加工高附加值金刚石晶片方面取得了重大进展。我们基于双重业务模式的以应用为导向的方法现在使我们能够与更广泛的工业合作伙伴合作，开发和销售高附加值金刚石晶片和我们获得专利的金刚石设备制造工艺，同时也直接向最终用户销售具有超轻模型，”Diamfab 首席执行官说道。

       与硅相比，金刚石的电流密度高出5000倍，电压高出30倍，可以在高温和辐射的恶劣环境下工作。在汽车应用中，Diamfab 晶圆可以制造重量减轻 80%、结构更紧凑的电源转换器。在电网应用中，与硅相比，晶圆还可以更轻松地处理更高的电压，并将能量损失减少 10 倍。