鑽石晶片耐壓能力比矽高30倍

經過數十年的研究，合成鑽石正作為一種可行的半導體材料脫穎而出，有望在功率電子領域取代碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。

最近在日本和歐洲取得的突破，正將這種已知最堅硬的材料轉化為下一代功率半導體的有力競爭者。由於其理論擊穿電場比矽高出近30倍，鑽石基器件可以在更小的封裝中處理極端電壓，威脅到目前碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料的市場主導地位。

日本國家產業技術綜合研究院（AIST）的研究人員在最近的發現中指出：「這種材料重新定義了功率器件性能的物理極限。」該研究院與本田（Honda）合作，成功展示了安培級鑽石MOSFET，這是邁向電動汽車等高功率系統商業應用的關鍵一步。

鑽石的優勢源於其基本的物理特性。它具有5.5 eV的寬帶隙和接近10 MV/cm的臨界擊穿電場強度，約為SiC或GaN的三倍。這使得更薄的器件能夠以更低的電阻阻斷更高的電壓。此外，其20 W/cmK的熱導率是已知材料中最高的，能夠實現卓越的散熱性能，並在超過400°C的溫度下運行。

這些特性可能會從根本上改變功率轉換系統的設計。對於投資者而言，該技術代表了對Wolfspeed、意法半導體（STMicroelectronics）和英飛凌（Infineon）等現有SiC和GaN製造商的潛在長期顛覆，同時也為從電動出行到高壓直流（HVDC）輸電等領域打開了機遇之門。

材料科學的新前沿

功率電子學的演變是一個從矽到卓越性能的寬禁帶（WBG）半導體的逐步歷程。SiC和GaN實現了現代電動汽車和緊湊型快速充電器所需的高效率和高功率密度。而鑽石則代表了這一階梯上的下一步，或許也是最後一步。

其主要優勢在於能夠承受極端電場。10 MV/cm的擊穿強度允許設計人員創建額定電壓為10 kV、20 kV甚至更高的器件，這遠超矽的實際極限。這種能力對於下一代智慧電網、電氣化鐵路和工業電機驅動至關重要，能夠顯著降低能耗並減小系統尺寸。

雖然GaN在原始電子遷移率方面具有優勢，但鑽石的高遷移率和極端熱導率的結合呈現出獨特的價值主張。熱量是功率電子設備的主要限制因素。鑽石高效散熱的能力可能會消除對龐大且昂貴的冷卻系統的需求，從而實現更緊湊、更可靠的設計，特別是在航空航天和井下鑽探等惡劣環境中。

從實驗室到工廠：日本和歐洲引領衝鋒

鑽石半導體開發曾一度僅是理論上的好奇，現在正加速進入工業化前期階段，主要研究中心展示了越來越實用的器件。

在日本，一項為福島核電站退役開發抗輻射電子設備的政府資助項目取得了重大進展。從AIST和北海道大學分拆出來的初創公司Ookuma Diamond Device開發出了能夠在300°C下長期穩定運行的功能齊備的差分放大電路。最近，AIST和本田的原型MOSFET實現了安培級電流，這是用於汽車動力系統的關鍵門檻。

與此同時，在「地平線2020」（Horizon 2020）框架下的歐洲努力培育了一個強大的研究生態系統。法國初創公司Diamfab（法國國家科學研究中心CNRS的分拆公司）處於領先地位。通過與其他法國實驗室合作，Diamfab開發了一種結型場效應電晶體（JFET），實現了創紀錄的50 mA體電流傳導。這一結果意義重大，因為它超越了簡單的微尺度演示器，轉向具有可用功率水平的器件，標誌著技術成熟度進入了新階段。

雖然製造成本和缺陷控制仍是大規模商業化的重大障礙，但前進之路讓人想起SiC和GaN的早期階段。隨著美國、日本和歐洲政府現在將鑽石電子視為一項戰略技術，擴大生產規模的投資正在增長。實現效率達99.9%的電動汽車逆變器和無需複雜液冷系統的電網硬體的長期願景已不再是科幻小說，而是一個擁有明確路線圖的工程挑戰。

本文僅供參考，不構成投資建議。