Key Takeaways:
Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, kim cương nhân tạo đang nổi lên như một vật liệu bán dẫn khả thi có thể thay thế silicon carbide và gallium nitride trong lĩnh vực điện tử công suất cao.
Những đột phá gần đây tại Nhật Bản và Châu Âu đang biến kim cương, vật liệu cứng nhất được biết đến, thành một đối thủ đáng gờm cho thế hệ bán dẫn công suất tiếp theo. Với cường độ điện trường đánh thủng lý thuyết cao gấp gần 30 lần so với silicon, các thiết bị dựa trên kim cương có thể xử lý điện áp cực cao trong các gói kích thước nhỏ hơn, đe dọa sự thống trị thị trường của các vật liệu băng thông rộng hiện nay như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN).
"Vật liệu này định nghĩa lại các giới hạn vật lý của hiệu suất thiết bị công suất," các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST) lưu ý trong những phát hiện gần đây. Viện này, hợp tác với Honda, đã trình diễn thành công MOSFET kim cương cấp ampe, một bước quan trọng hướng tới ứng dụng thương mại trong các hệ thống công suất cao như xe điện.
Ưu điểm của kim cương bắt nguồn từ các tính chất vật lý cơ bản của nó. Nó sở hữu băng thông rộng 5,5 eV và cường độ điện trường đánh thủng tới hạn gần 10 MV/cm, gấp khoảng ba lần so với SiC hoặc GaN. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị mỏng hơn có thể chặn điện áp cao hơn nhiều với điện trở thấp hơn. Hơn nữa, độ dẫn nhiệt 20 W/cmK của nó là cao nhất trong số các vật liệu được biết đến, cho phép tản nhiệt vượt trội và hoạt động ở nhiệt độ vượt quá 400°C.
Những đặc tính này có thể thay đổi căn bản thiết kế của các hệ thống chuyển đổi công suất. Đối với các nhà đầu tư, công nghệ này đại diện cho một sự gián đoạn tiềm năng dài hạn đối với các nhà sản xuất SiC và GaN hiện tại như Wolfspeed, STMicroelectronics và Infineon, đồng thời mở ra cơ hội trong các lĩnh vực từ di động điện đến truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC).
Sự phát triển của điện tử công suất là một hành trình từng bước từ silicon đến hiệu suất vượt trội của bán dẫn băng thông rộng (WBG). SiC và GaN đã mang lại hiệu suất cao và mật độ công suất cần thiết cho xe điện hiện đại và các bộ sạc nhanh nhỏ gọn. Kim cương đại diện cho bước tiếp theo, và có lẽ là bước cuối cùng trên nấc thang này.
Ưu điểm chính của nó nằm ở khả năng chịu được điện trường cực lớn. Cường độ đánh thủng 10 MV/cm cho phép các nhà thiết kế tạo ra các thiết bị được xếp hạng cho 10 kV, 20 kV hoặc thậm chí cao hơn, vượt xa giới hạn thực tế của silicon. Khả năng này rất quan trọng đối với lưới điện thông minh thế hệ mới, đường sắt điện hóa và truyền động động cơ công nghiệp, cho phép giảm đáng kể tổn thất năng lượng và kích thước hệ thống.
Mặc dù GaN có lợi thế về độ linh động điện tử thô, nhưng sự kết hợp giữa độ linh động cao và độ dẫn nhiệt cực cao của kim cương tạo ra một đề xuất giá trị độc đáo. Nhiệt là yếu tố hạn chế chính trong điện tử công suất. Khả năng truyền dẫn và tản nhiệt hiệu quả của kim cương có thể loại bỏ nhu cầu về các hệ thống làm mát cồng kềnh và đắt tiền, cho phép thiết kế nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt như hàng không vũ trụ và khoan hầm sâu.
Từng là một sự tò mò về mặt lý thuyết, việc phát triển bán dẫn kim cương đang tăng tốc sang giai đoạn tiền công nghiệp, với các trung tâm nghiên cứu chính đang trình diễn các thiết bị ngày càng thực tế.
Tại Nhật Bản, một dự án do chính phủ tài trợ nhằm phát triển các thiết bị điện tử chịu được bức xạ cho việc tháo dỡ nhà máy hạt nhân Fukushima đã thúc đẩy tiến bộ đáng kể. Công ty khởi nghiệp Ookuma Diamond Device, một nhánh tách ra từ AIST và Đại học Hokkaido, đã tạo ra một mạch khuếch đại vi sai đầy đủ chức năng có khả năng hoạt động ổn định, lâu dài ở 300°C. Gần đây hơn, nguyên mẫu MOSFET của AIST và Honda đã đạt được dòng điện cấp ampe, một ngưỡng quan trọng để sử dụng trong các hệ thống điện ô tô.
Trong khi đó, các nỗ lực của Châu Âu trong khuôn khổ Horizon 2020 đã nuôi dưỡng một hệ sinh thái nghiên cứu mạnh mẽ. Công ty khởi nghiệp Diamfab của Pháp, một nhánh tách ra từ trung tâm nghiên cứu quốc gia CNRS, đang dẫn đầu. Phối hợp với các phòng thí nghiệm khác của Pháp, Diamfab đã phát triển một transistor hiệu ứng trường cổng nối (JFET) đạt được dòng điện dẫn thân kỷ lục 50 mA. Kết quả này rất quan trọng vì nó vượt xa các mô hình trình diễn quy mô vi mô đơn giản để tiến tới một thiết bị có mức công suất sử dụng được, báo hiệu một giai đoạn mới của sự trưởng thành về công nghệ.
Mặc dù chi phí sản xuất và kiểm soát lỗi vẫn là những rào cản đáng kể đối với việc thương mại hóa hàng loạt, con đường phía trước gợi nhớ đến những ngày đầu của SiC và GaN. Với việc chính phủ Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu hiện đang coi điện tử kim cương là một công nghệ chiến lược, đầu tư vào việc mở rộng sản xuất đang tăng lên. Tầm nhìn dài hạn về các bộ biến tần xe điện hiệu suất 99,9% và phần cứng lưới điện không cần hệ thống làm mát bằng chất lỏng phức tạp không còn là khoa học viễn tưởng, mà là một thách thức kỹ thuật với một lộ trình rõ ràng.
Bài viết này chỉ mang tính chất thông tin và không cấu thành lời khuyên đầu tư.
