金刚石芯片：半导体发展进程的又一重要里程碑

发布时间：2025-02-21 10:56:03 | 浏览量： 22次

近日，格拉斯哥大学研究人员主导的一项研究取得了里程碑式的进展，有望助力创造用于高功率电子产品的新一代金刚石晶体管。




此前，技术发展存在诸多局限，而新型金刚石晶体管成功克服了这些问题，让这类设备更接近在依赖高功率系统的众多行业中实现实际应用。




研究团队找到了一种全新方法，以金刚石作为晶体管的基础，实现了晶体管默认处于关闭状态。这一突破对于确保开启时可承载大量电流的设备的安全性至关重要。




钻石具备一种名为宽带隙的固有特性，这意味着它能承受比硅（大多数晶体管的常用材料）高得多的电压，才会发生电击穿。在电力电子应用领域，这表明由钻石这类材料制成的晶体管，能够承受比硅晶体管高得多的电压，进而提供更高的功率。




该团队研发的金刚石晶体管，可应用于对电压要求高且高度注重效率的领域，比如电网或电动汽车。




这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的戴维・莫兰教授带领团队完成，合作伙伴来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学和美国普林斯顿大学，研究成果发表于《先进电子材料》杂志。




莫兰教授表示：“晶体管本质上是控制电流的开关。计算机、智能手机等设备会使用数十亿个微小的硅基晶体管，它们耗电量极少；而电力电子设备使用的开关数量少得多，但功率水平却高得多。电力电子面临的挑战在于，开关的设计既要在不使用时保持牢固关闭以符合安全标准，开启时又必须能提供非常高的功率。此前最先进的金刚石晶体管，往往只能擅长其中一种功能，而牺牲另一种功能 —— 开关擅长保持关闭状态，却不太擅长按需提供电流，反之亦然。我们成功设计出了在两种功能上都表现出色的金刚石晶体管，这是一个重大突破。”




在格拉斯哥大学詹姆斯瓦特纳米制造中心，研究小组运用表面化学技术来提升金刚石的性能，先给金刚石涂上氢原子，然后再涂覆氧化铝层。



他们研发的金刚石晶体管需要 6 伏电压才能开启，是之前金刚石晶体管的两倍多，同时在激活时仍能输出大电流。此外，他们还提高了电荷在器件中的移动效率，性能比传统金刚石晶体管提升了一倍。从实际应用角度来看，这意味着电荷能在器件中更自由地移动，从而提高了器件的效率。当设备关闭时，其电阻极高，测量结果低于实验室设备的本底噪声，这意味着设备关闭时几乎没有电流泄漏，这是高功率应用的关键安全特性。




莫兰教授还补充道：“这些成果确实令人振奋，让金刚石晶体管比以往任何时候都更接近发挥其潜力。金刚石是一种常被人们与奢侈品联系在一起的材料，但其生产成本却出奇地低。不过，在金刚石晶体管准备好被制造业广泛推广之前，仍有一些挑战亟待解决。我们期望我们的研究能在未来几年推动金刚石晶体管在各个行业的应用。”

产业化进程的关键支持

在金刚石半导体产业化的技术链条中，大尺寸晶圆制备设备是核心瓶颈。碳方程最新研发推出的 50200A MPCVD设备助力金刚石行业发展：




技术参数：采用50KW大功率微波源（915MHz频率），单炉可稳定生产8英寸多晶金刚石热沉片，或489片7×7mm单晶金刚石。



量产突破：该设备通过小批量试生产验证，解决了传统金刚石材料尺寸过小的限制，为英寸级晶圆的商业化应用奠定基础，推动金刚石在功率器件、光学元件等领域的规模化应用。


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