钻石芯片,商用在即

科技   2024-11-17 18:44   河南  

钻石功率半导体 凭借其卓越的性能,即将改变从电动汽车到发电站等各个行业。日本在钻石半导体技术方面的重大进步为其商业化铺平了道路,并有望在未来实现这些半导体比硅器件多 50,000 倍的电力。

随着日本在该领域的研发工作处于领先地位,Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司在批量生产钻石晶片和组件方面取得了显著进展。随着钻石半导体的潜在商业化越来越近,该行业有望实现显著的增长和创新。

主要须知事项: 
1、金刚石半导体可处理比传统硅器件高达 50,000 倍的电能,使其成为电动汽车和航空航天等高需求应用的理想选择。
2、日本在金刚石半导体研究领域处于领先地位,Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司致力于实现可扩展生产以满足未来的商业需求。
3、包括与佐贺大学和日本宇宙航空研究开发机构在内的大学和产业合作正在推动金刚石技术走向太空应用,增强其在恶劣环境下的耐用性和信号完整性。
4、随着钻石技术的成熟,其采用将带来更加可持续和高效的电子设备,符合全球对生态高效技术和可再生能源解决方案的发展趋势。
金刚石半导体的广泛应用将如何影响电动汽车和发电站的效率和性能,金刚石半导体的成功商业化需要克服哪些挑战,以及日本金刚石半导体的出现将如何影响全球半导体市场动态?
金刚石给半导体设计带来了哪些挑战?
现代社会电气化的曙光催生了对能够高效、可持续地处理更大负载的大功率电子设备的迫切需求。随着我们对技术的依赖性不断增长,对支持 下一代电力电子设备的材料的需求也在不断增长 。

1、传统硅在高功率应用中的局限性

传统硅虽然应用广泛,但其效率正日益达到极限,尤其是在高温和高压条件下。因此,人们的注意力转向碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等材料, 这些材料在这些领域表现出了卓越的性能。然而,探索并未止步于此;长期以来因其美学品质而备受推崇的钻石,现在正在研究其作为 新型功率半导体的潜力。

钻石是碳的结晶形式, 不仅因为其硬度和亮度而闻名,还因为其卓越的电气和热性能而闻名。这些特性使其成为电力电子领域极具吸引力的候选材料。

例如,钻石的高导热性使其能够高效散热,这是电子设备中一个关键因素,因为过热会导致设备故障。钻石的宽带隙还意味着,与硅制成的设备相比,基于钻石的设备可以在更高的电压和温度下运行 。

尽管金刚石具有这些令人期待的特性, 但在将其广泛应用于半导体领域之前,仍有许多重大挑战需要解决。其中一个主要障碍就是其 硬度。

2、制造金刚石基器件的挑战

虽然钻石的硬度是切割和磨损材料的理想特性 ,但它对半导体制造提出了独特的挑战。切割和塑造钻石的难度使得制造基于钻石的设备不仅在技术上具有挑战性,而且成本高昂。

此外,金刚石在长期设备应用中的适用性受到 其随时间推移而退化的趋势的制约。金刚石在长期运行条件下的稳定性仍是一个研究课题。这种退化会影响金刚石基电子设备的性能和寿命,从而可能限制其实际应用。

另一个重大挑战是功率半导体领域的钻石技术相对较新。与数十年来一直占据半导体技术核心的硅不同,钻石并未受益于成熟的技术生态系统。

3、钻石新兴技术生态系统

由于金刚石在半导体中的新特性,研究人员和工程师在许多方面都从头开始。这种不成熟意味着 仍有许多基础工作需要完成,从开发可靠的制造工艺到了解金刚石在各种操作压力下的长期行为。

最后, 金刚石的复杂晶体结构使其 在生产过程中的操作变得复杂。制造高质量的金刚石半导体需要在微观层面上精确控制材料特性,这项任务涉及复杂的技术和大量的资金投入。因此,生产金刚石器件的成本仍然是 其在半导体行业广泛应用的主要障碍。
日本研究人员接近研制出金刚石半导体
日本在半导体技术方面取得了令人瞩目的飞跃, 有望 在  金刚石半导体领域取得重大进展,并有可能在 2025 年至 2030 年之间实现实际应用。这些发展尤其引人注目,因为金刚石半导体以其卓越的性能和处理极端条件的能力而闻名,这可能会改变各种高需求的电子行业。

钻石半导体的特点是能够在极高的电压下工作,并且能够承受硅无法企及的高温。它们在电动汽车和航空航天等耗能应用中的应用可能标志着根本性的转变,减少热量损失并延长设备寿命。日本的进步,尤其是来自大学主导的研发的进步,表明日本正集中精力在竞争激烈的领域取得领先地位,而目前硅和氮化镓等材料占据主导地位。
日本在先进半导体研究中的作用
佐贺大学一直处于这项创新的前沿,于 2023 年开发出世界上第一个由金刚石半导体制成的功率器件 。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 合作实现的,重点是用于太空通信的高频元件。这项技术的影响不仅限于地面应用,还可能提高太空探索设备的可靠性和性能。

太空应用对高频元件的重视表明了金刚石在极端环境下改善信号完整性的潜力。JAXA 与佐贺大学在这些项目上的合作凸显了金刚石半导体的吸引力,不仅因为它们的耐用性,还因为它们能够使卫星和航天器系统实现更高效的电源管理,这是可靠性至关重要的太空探索任务中的关键因素。

此外,总部位于东京的 Orbray 已开发出 2 英寸金刚石晶圆的量产技术,并正在朝着实现 4 英寸基板的目标迈进。这种规模扩大对于满足 电子行业的商业需求至关重要。Orbray 与英美资源集团的合作以及与 Mirai Technologies 的合作得到了丰田和电装等巨头的支持,凸显了该行业致力于将金刚石半导体整合到主流应用中的承诺,包括预计在 2030 年代出现的车载电源设备。

1、扩大生产:Orbray 向 4 英寸钻石晶圆迈进

随着 Orbray 扩大生产能力,业界密切关注金刚石晶片能否在高功率设备中超越硅甚至碳化硅基板。一旦实现 4 英寸金刚石基板的商业化,将解决生产中的一个关键瓶颈,使广泛工业应用的可行性更近一步,并使日本的半导体行业能够在全球范围内树立新的标准。

扩张并未止步于此。Orbray 计划在秋田县建立新工厂,以提高生产能力,并计划在 2029 年进行首次公开募股。与此同时,Power Diamond Systems 和 Ookuma Diamond Device 等初创公司分别在加强该技术在电力效率和环境清洁方面的应用。早稻田大学的衍生公司 Power Diamond Systems 正在增强这些设备的载流能力,而 Ookuma Diamond Device 则专注于将它们部署到福岛第一核电站用于核废料清除,展示该材料对高辐射的抵抗力。

2、新兴创业公司和环境应用

这种韧性不仅对辐射量大的应用至关重要,而且还能增强金刚石在核电设施等高压环境中的适用性。通过将这些设备应用于核废料清除,Ookuma Diamond Device 等公司展示了金刚石半导体如何在能源和环境领域带来变革,为传统材料提供持久的替代品。

这个蓬勃发展的行业不仅彰显了日本研发的技术实力和创新精神 ,还凸显了材料科学的重大转变,即金刚石半导体可能成为未来电子和电力设备的基石。随着这些技术的成熟,从电动汽车到航空航天等各个领域都有可能被广泛采用,这可能会为该行业树立新的标准,有望使这些设备 不仅 比硅基设备更坚固,而且效率更高。

3、钻石在主流应用中的未来

将金刚石半导体融入能源密集型技术可以降低整体功耗,同时提高可靠性,这一组合可满足日益增长的可持续性需求。随着各行各业继续优先考虑生态高效技术,鉴于金刚石具有卓越的热管理和电力能力,转向基于金刚石的解决方案可能会进一步激励人们转向可再生能源。

日本在钻石半导体创新领域处于领先地位,凸显了全球竞相开发先进材料以突破电子设计界限的趋势。钻石技术有可能同时满足监管和环境标准,符合可持续发展的未来,使日本的研发工作在国际半导体领域中脱颖而出。
金刚石可以取代其他高功率半导体器件吗?
金刚石半导体技术的出现并不意味着 GaN 或 SiC 的过时,而是标志着工程师可用材料的多样化。每种材料都有其独特的 特性 ,使设计更复杂、更个性化的电子系统成为可能。作为工程师和科学家,我们的任务不是寻找一种“最佳”半导体材料,而是了解和利用每种材料的独特优势,并与其他材料和谐相处。

随着金刚石半导体技术的商业化,它 确实将 开辟新的创新途径。工程师将面临新的挑战和机遇,以突破电子设计的可能性界限。探索 金刚石在电子领域的潜力不仅涉及采用新材料,还涉及重新思考我们解决工程问题和设计系统的方法。

虽然 人们对金刚石半导体的兴奋是  所当然的,但保持平衡的观点至关重要。半导体技术的未来很可能以多种材料的混合为特征,每种材料都因其能够以经济高效的方式满足特定的技术要求而被选中。金刚石、GaN 和 SiC 半导体之间的相互作用将塑造下一代电子设备,推动创新,同时解决成本和特定应用需求的实际情况。这种细致入微的方法将确保半导体技术的可持续发展,满足现代世界不断扩展的应用范围。

   第八届国际碳材料大会暨产业展览会

12月5-7第八届国际碳材料大会暨产业展览会(Carbontech 2024)将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛,宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛,已邀请国内外知名专家和企业莅临交流,欢迎报名。

金刚石前沿应用及产业发展论坛

金刚石生长与前沿应用专题

12月5日 周四 下午


13:35-14:00

金刚石增强导热复合材料与技术

朱嘉琦,哈尔滨工业大学教授


14:00-14:25

报告方向:金刚石量子前沿科技

Milos Nesladek,哈塞尔特大学教授


14:25-14:45

议题待定

Rahul Gaywala,印度Sahajanand Technologies Private Limited公司CEO


15:10-15:35

报告方向:金刚石信息功能传感和电子器件

廖梅勇,日本国立物质材料研究所(行程确认中)


15:35-15:55

报告方向:金刚石量子应用案例

赵博文,安徽省国盛量子科技有限公司创始人


15:55-16:15

硼掺杂金刚石电极的调控与电化学工程应用

魏秋平,中南大学教授


16:15-16:35

议题待定

嘉宾待定,普敦实验室设备(上海)有限公司


16:35-16:55

高灵敏性金刚石热敏电阻器件研究新进展

陈巧,中国地质大学(武汉)副教授


热管理应用及产业化解决方案专题

12月6日 周五 全天


09:30-09:55

金刚石在激光领域的应用研究

杭寅,中国科学院上海光机所研究员


09:55-10:20

三维集成金刚石先进散热技术进展

于大全,厦门大学教授


10:20-10:45

使用CVD金刚石散热器提升高功率密度芯片的性能

lan Friel,元素六业务拓展经理、首席科学家


11:10-11:35

金刚石材料的激光加工

王成勇,广东工业大学副校长


11:35-12:00

CVD金刚石散热材料制备及产业化应用

魏俊俊,北京科技大学教授


12:00-12:20

太原理工大学团队(行程确认中)


13:30-13:55

金刚石常温键合技术在高性能半导体器件散热中的应用

梁剑波,大阪公立大学副教授


13:55-14:20

朝着光束全方位调控的金刚石激光技术

白振旭,河北工业大学教授


14:20-14:40

Effect of gas phase nucleation on nano- and polycrystalline diamond growth in conventional MPCVD chamber

Mariia Lambrinaki,苏州思体尔软件科技有限公司CEO


14:40-15:00

精密磨抛技术在金刚石材料加工中的应用

梁浩,北京特思迪半导体设备有限公司


15:30-15:55

集成电路先进封装的钻石中介层

宋健民博士


15:55-16:15

微射流激光先进技术基于大尺寸金刚石高品质分片及微流通道制备方案

杨森,西安晟光硅研半导体科技有限公司


16:15-16:25

小分子液态源MPCVD制备超纳米金刚石薄膜材料及应用研究

熊鹰,西南科技大学教授


16:25-16:45

基于COMSOL仿真的圆柱形谐振腔MPCVD中金刚石沉积的调控

杨黎,昆明理工大学教授


12月7日 周六 上午


10:00-12:00

闭门讨论:金刚石在热管理市场怎么用?从哪个角度切入热管理市场一块蛋糕?(仅限邀请)

宽禁带半导体及创新应用论坛

12月5日 周四 全天


10:25-11:00

议题待定

王英民,中国电子科技集团公司第四十六研究所首席专家


11:00-11:25

第三代半导体表面处理技术及装备

王德君,大连理工大学教授


11:25-11:45

基于氮化镓半导体的微波无线供电技术

敖金平,江南大学教授


11:45-12:05

以碳化硅为代表的第三代半导体产业演进及未来趋势

梁赫,重庆鬃晶科技有限公司总经理


13:30-13:55

Si基GaN器件及系统研究与产业前景

于洪宇,南方科技大学深港微电子学院院长


13:55-14:20

报告方向:金刚石半导体器件产业化进展

王宏兴,西安交通大学教授


14:20-14:40

磨抛工艺在超宽禁带半导体材料衬底制备中的应用

王彬,合美半导体(北京)有限公司总经理


15:10-15:35

报告方向:晶圆键合

王晨曦,哈尔滨工业大学教授


15:35-16:00

金刚石薄膜的制备与电学性能研究

胡晓君,浙江工业大学教授


16:00-16:20

报告方向:半导体先进键合集成技术与应用

母凤文,北京青禾晶元半导体科技有限责任公司、天津中科晶禾电子科技有限责任公司董事长兼总经理


16:20-16:40

山东大学团队(邀请确认中)

半导体及加工产业现状与趋势

12月5日 周四 上午


09:40-10:10

SiC产业发展分析与技术的新进展

赵正平,中国电子科技集团有限公司原副总经理


10:10-10:40

报告方向:超精密抛光技术研究进展

袁巨龙,浙江工业大学超精密加工技术研究中心主任


11:10-11:40

报告方向:芯片级金刚石晶圆

江南,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员


11:40-12:10

报告方向:大功率芯片散热的解决方案

郭跃进,深圳大学异质异构国家重点实验室研究员、原Intel公司首席专家


超硬材料与超精密加工论坛

先进加工技术及应用方案专题

12月6日 周五 上午


09:30-09:55

议题待定

康仁科,大连理工大学教授


09:55-10:20

议题待定

吴勇波,南方科技大学教授


10:50-11:15

金刚石的超精密加工技术现状与发展

赵清亮,哈尔滨工业大学教授


11:15-11:40

化学气相法制备单晶微刃金刚石磨料及工具新技术

孙方宏,上海交通大学教授


11:40-12:05

纳秒激光诱导活性金属等离子体反应刻蚀单晶CVD金刚石研究

温秋玲,华侨大学副教授


半导体切磨抛难题解决方案专题

12月6日 周五 下午


13:30-13:55

碳化硅晶圆减薄磨削装备及砂轮技术

尹韶辉,湖南大学无锡半导体先进制造创新中心主任


13:55-14:20

金刚石加工碳化硅晶圆衬底技术现状与趋势

栗正新,河南工业大学材料学院教授、河南工大高新产业技术研究院院长


14:20-14:45

金刚石衬底化学机械抛光原子级去除机理探讨

戴媛静,清华大学天津高端装备研究院常务副所长


14:45-15:05

金刚石超光滑与平坦化工艺路径探索

邓辉,南方科技大学机械与能源工程系研究员


15:30-15:55

大尺寸碳化硅晶圆加工过程面临的挑战与对策

张保国,河北工业大学教授


15:55-16:20

金刚石晶圆的磨抛一体化加工研究进展

陆静,华侨大学教授


16:20-16:40

硬脆材料的金刚石线切割过程切割力动态建模

梁列,西安理工大学青年教师


12月7日 周六 上午


10:00-12:00

闭门讨论:半导体CMP抛光“卡脖子”难点探讨


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超硬材料、磨料磨具和涂附磨具行业垂直门户开创者,专注磨料磨具全产业链品牌孵化及推广,是从业者了解产业发展动态的主阵地,为万千客商提供深度的产业调研报告、海量商机信息与产经合作机会,是磨料磨具产业全域生态圈建设引领者。
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