Nguyễn Quốc Hòa
Writer
Trong hai năm trở lại đây, kim cương dần trở thành chủ đề nóng trong ngành bán dẫn.
Để đạt được mục tiêu khử cacbon, ngành công nghiệp chip đã theo đuổi các chất bán dẫn hiệu quả và mạnh mẽ hơn trong vài năm qua. Sự xuất hiện và phát triển của các vật liệu bán dẫn như gali nitrit (GaN) và cacbua silic (SiC) đã cho phép ngành này vượt qua ranh giới của silicon để phát triển các công nghệ hiệu quả và bền vững hơn. Những vật liệu này hiện đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, xe điện và các công nghệ khác giúp giảm lượng khí thải carbon.
Sau gali nitrit và cacbua silic, kim cương nhân tạo, đã lọt vào tầm mắt mọi người như một vật liệu bán dẫn mới và thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong ngành.
Kim cương nổi tiếng với độ cứng và độ sáng vô song. Trong hơn nửa thế kỷ, đồ trang sức đã được sử dụng rộng rãi và có giá trị nhất. Giờ đây, nó đã mở ra triển vọng rộng lớn trong vật liệu bán dẫn do những đặc tính riêng của nó.
Trong tất cả các bộ chuyển đổi điện thông thường, hệ thống làm mát là một bộ phận cần thiết. Không giống như hầu hết các vật liệu bán dẫn, điện trở suất của kim cương giảm khi nhiệt độ tăng. Kết quả là các thiết bị làm từ vật liệu này hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ 150 độ C (nhiệt độ hoạt động điển hình của các thiết bị điện) so với nhiệt độ phòng. Mặc dù cần phải nỗ lực đáng kể để làm mát các thiết bị silicon hoặc cacbua silic tiếp xúc với nhiệt độ cao, vấn đề chỉ đơn giản là cho phép viên kim cương tìm được trạng thái ổn định trong quá trình hoạt động.
Diamond cũng có khả năng tản nhiệt tốt. Do tổn thất tản nhiệt thấp, khả năng tản nhiệt cao và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, bộ chuyển đổi được chế tạo bằng thiết bị hoạt động kim cương có thể nhẹ hơn 5 lần và nhỏ hơn 5 lần so với giải pháp dựa trên silicon và nhẹ hơn 3 lần so với giải pháp dựa trên silicon cacbua, nhỏ hơn 3 lần.
Tấm kim cương siêu mỏng do Diamond Foundry chế tạo
Khi thiết kế thiết bị và bộ chuyển đổi, phải thực hiện sự cân bằng giữa hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống với chi phí, kích thước và trọng lượng. Kim cương cũng không ngoại lệ, nhưng kim cương có thể mang lại giá trị về các thông số quan trọng cho xe điện tiết kiệm năng lượng hơn.
Nếu trọng tâm là giảm chi phí thiết bị thì chip kim cương có thể được thiết kế với chi phí thấp hơn 30% so với chip cacbua silic, vì với cùng hiệu suất và hiệu suất điện, chip kim cương sử dụng diện tích kim cương ít hơn 50 lần so với chip cacbua silic tương đương, quản lý nhiệt lại tốt hơn.
Nếu bạn tập trung vào hiệu quả, kim cương có thể giảm tổn thất năng lượng gấp ba lần so với cacbua silic và kích thước chip có thể giảm tới 4 lần, do đó trực tiếp tiết kiệm mức tiêu thụ năng lượng.
Nếu trọng tâm là khối lượng và trọng lượng của hệ thống, thì bằng cách tăng tần số chuyển mạch, các thiết bị kim cương có thể giảm khối lượng của các bộ phận thụ động xuống bốn lần so với các bộ chuyển đổi dựa trên cacbua silic. Ngoài việc giảm âm lượng, điều này cũng có thể đạt được bằng cách thu nhỏ tản nhiệt.
Điều đáng nói là kim cương còn có đặc tính cách nhiệt cực cao. Một chỉ số quan trọng để đo chất lượng cách điện của các vật liệu khác nhau là cường độ điện trường đánh thủng, cho biết điện áp tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không gây ra sự cố điện. Để so sánh, cường độ điện trường đánh thủng của vật liệu silicon là khoảng 0,3 MV/cm, SiC là 3 MV/cm, GaN là 5 MV/cm và kim cương là 10 MV/cm, và ngay cả những lát kim cương rất mỏng cũng có khả năng chịu được điện áp rất cao.
Từ quan điểm sử dụng cụ thể, chất nền kim cương có độ dẫn nhiệt tuyệt vời và có thể đạt được khả năng tản nhiệt hiệu quả cho các thành phần 5G công suất cao (trạm gốc, bộ khuếch đại), đảm bảo hoạt động ổn định và ngăn ngừa quá nhiệt. Việc triển khai liên tục cơ sở hạ tầng 5G và nhu cầu vô độ về tốc độ dữ liệu nhanh hơn đã thúc đẩy việc áp dụng chất nền kim cương trong nhiều thiết bị liên quan đến 5G khác nhau. Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của lưu lượng dữ liệu 5G đồng nghĩa với việc sẽ cần đến thiết bị có thể quản lý mật độ năng lượng cao được tạo ra ở tần số cực cao. Chất nền kim cương cung cấp câu trả lời cho những câu hỏi này.
Ngoài ra, chất nền kim cương kết hợp với gali nitrit hoặc cacbua silic có thể tạo ra các thiết bị điện có điện áp hoạt động cao hơn, tần số cao hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn so với các giải pháp dựa trên silicon truyền thống cho xe điện, ứng dụng tái tạo Bộ biến tần năng lượng, truyền động động cơ công nghiệp, cao -laser năng lượng và nguồn cung cấp năng lượng tiên tiến là tất cả các lĩnh vực mà chất nền kim cương ngày càng được sử dụng nhiều hơn.
Chất nền kim cương hoạt động như một bộ tản nhiệt tuyệt vời, kéo dài tuổi thọ và độ tin cậy của các thiết bị này. Khi quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch hơn và quá trình điện khí hóa phương tiện giao thông tăng tốc, chất nền kim cương cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng. Giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi năng lượng giúp cải thiện hiệu suất tổng thể, một khía cạnh quan trọng của xe điện và lưới điện bền vững. Chất nền kim cương cho phép thiết kế các thiết bị điện tử công suất nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng có không gian hạn chế như xe điện.
Dữ liệu từ Virtuemarket nước ngoài chỉ ra rằng giá trị thị trường chất bán dẫn kim cương toàn cầu sẽ là 151 triệu USD vào năm 2023 và quy mô thị trường dự kiến sẽ đạt 342 triệu USD vào cuối năm 2030. Thị trường dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 12,3% trong giai đoạn dự báo 2024-2030. Họ tin rằng do nhu cầu ngày càng tăng từ ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn ở các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc, khu vực Châu Á - Thái Bình Dương dự kiến sẽ thống trị thị trường chất nền bán dẫn kim cương và chiếm hơn 40% doanh thu toàn cầu chia sẻ vào năm 2023.
Đầu tiên là chi phí. So với silic, cacbua silic có giá cao hơn từ 30 đến 40 lần, trong khi gali nitrit có giá cao hơn từ 650 đến 1.300 lần. Vật liệu kim cương tổng hợp dùng trong nghiên cứu chất bán dẫn đắt hơn silicon khoảng 10.000 lần.
Một vấn đề khác là kích thước nhỏ của tấm kim cương. Tấm kim cương lớn nhất trên thị trường có kích thước nhỏ hơn 10 mm vuông. Việc pha tạp vật liệu này bằng cách cấy ion là rất khó và hiệu suất kích hoạt hạt mang điện của vật liệu giảm ở nhiệt độ phòng.
Để giải quyết các vấn đề về sản xuất và ứng dụng, nhiều công ty đang nỗ lực phát triển các công nghệ liên quan để sản xuất hàng loạt kim cương. Đầu năm 2023, Đại học Saga của Nhật Bản và Orbray của Nhật Bản đã cùng nhau phát triển một chất bán dẫn điện làm từ kim cương. Họ đã tạo ra một tấm wafer đơn 2 inch trên nền sapphire. Vào tháng 10 năm 2023, Xưởng đúc kim cương của Hoa Kỳ đã sản xuất thành công wafer kim cương đầu tiên trên thế giới, đường kính khoảng 4 inch.
Ngoài hai công ty kể trên, Diamfab, một công ty khởi nghiệp về kim cương bán dẫn có trụ sở tại Grenoble, Pháp, cũng đang liên tục nghiên cứu về công nghệ chip kim cương.
Vào tháng 3 năm nay, công ty thông báo đã nhận được khoản tài trợ vòng đầu tiên trị giá 8,7 triệu euro. Khoản tài trợ này đến từ Asterion Ventures, Quỹ Hạt giống Công nghệ Pháp được quản lý thay mặt cho chính phủ Pháp (một phần của France 2030), Quỹ Khu vực Kreaxi và Avenir Industrie Auvergne-Rhône-Alpes, Better Angle, Hello Tomorrow và Vùng Grenoble Alpes.
Diamfab là một sản phẩm phụ của phòng thí nghiệm Institut Néel của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) và là kết quả của 30 năm nghiên cứu và phát triển về phát triển kim cương tổng hợp. Dự án Diamfab ban đầu được ươm tạo tại SATT Linksium ở Grenoble Alps, một công ty được thành lập vào tháng 3 năm 2019 bởi Gauthier Chicot và Khaled Driche, hai tiến sĩ về điện tử nano và là nhà nghiên cứu được công nhận trong lĩnh vực kim cương bán dẫn.
Diamfab cho biết, để đáp ứng nhu cầu thị trường về chất bán dẫn và linh kiện điện trong ngành công nghiệp ô tô, năng lượng tái tạo và lượng tử, công ty đã phát triển các công nghệ đột phá trong lĩnh vực epitaxy và doping kim cương tổng hợp. Nó đã phát triển các công nghệ đột phá trong lĩnh vực epit Wax và pha tạp kim cương tổng hợp và nắm giữ bốn bằng sáng chế. Chuyên môn của nó nằm ở việc phát triển và pha tạp các lớp kim cương mỏng cũng như thiết kế các linh kiện điện tử kim cương.
Vòng tài trợ đầu tiên sẽ cho phép Diamfab thiết lập một dây chuyền sản xuất thí điểm, tiền công nghiệp hóa công nghệ và đẩy nhanh quá trình phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất bán dẫn kim cương.
Diamfab trước đây đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho tụ điện hoàn toàn bằng kim cương và đang làm việc với các nhà lãnh đạo trong lĩnh vực này, Giám đốc điều hành Diamfab Gauthier Chicot cho biết: “Trong số các thông số khác, chúng tôi đã đạt được mục tiêu: mật độ dòng điện cao hơn 1000A/cm2 và điện đánh thủng trường lớn hơn 7,7MV/cm. Đây là những thông số chính cho hiệu suất của thiết bị trong tương lai và đã vượt trội so với những thông số được cung cấp bởi các vật liệu hiện có như SiC. Hơn nữa, chúng tôi có lộ trình rõ ràng đến năm 2025. Mục tiêu chính là đạt được các tấm bán dẫn 4 inch mỗi năm. tạo điều kiện cho sản xuất hàng loạt”.
“Trong hai năm qua, chúng tôi đã đạt được tiến bộ đáng kể khi hợp tác với các nhóm R&D để xử lý các tấm kim cương có giá trị gia tăng cao. Cách tiếp cận theo định hướng ứng dụng dựa trên mô hình kinh doanh kép giờ đây sẽ cho phép chúng tôi làm việc với nhiều đối tác công nghiệp hơn, phát triển và tiếp thị các tấm kim cương có giá trị gia tăng cao cũng như quy trình sản xuất thiết bị kim cương đã được cấp bằng sáng chế, đồng thời bán trực tiếp cho người dùng cuối theo mô hình nhà máy nhẹ”, Chicot cho biết.
"Trong quá trình phát triển một ngành công nghiệp tiên tiến như của chúng tôi, mọi giai đoạn đều rất quan trọng. Dự án thí điểm sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều cuộc thảo luận của chúng tôi với các đối tác và củng cố mối quan hệ của chúng tôi với các khoản đầu tư cam kết cho ngành và khí hậu. Điều quan trọng là chúng tôi phải làm việc với ngành, người chơi và quan trọng nhất là họ hiểu được những hạn chế và mối liên kết của ngành”, Chicot cho biết.
Charles, đối tác tại Asterion Ventures, người đứng đầu giao dịch, cho biết: “Công nghệ mà chúng tôi phát triển có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon lịch sử của chất bán dẫn và thực hiện điều này bằng cách chuyển đổi các ngành công nghiệp chủ chốt ở châu Âu, một trong những ưu tiên đầu tư của chúng tôi khi hợp tác với Asterion”, Henry Choel giải thích, “Các công ty công nghệ sâu trong ngành cần sự hỗ trợ lâu dài, bình tĩnh và đó chính xác là những gì chúng tôi cung cấp”.
Thật trùng hợp, Advent Diamond ở Hoa Kỳ cũng là một công ty khởi nghiệp cam kết sản xuất hàng loạt vật liệu bán dẫn kim cương. Vào tháng 4 năm nay, công ty đã nhận lời phỏng vấn với EE Times và tiết lộ tiến độ của mình trong lĩnh vực này.
Một trong những cải tiến cốt lõi của Advent Diamond là khả năng phát triển kim cương pha tạp phốt pho đơn tinh thể trên chất nền ưa thích và đây là công ty duy nhất ở Hoa Kỳ có khả năng này. Sự pha tạp phốt pho đặc biệt có ý nghĩa vì nó tạo ra chất bán dẫn loại n trong kim cương, yếu tố then chốt trong sự phát triển của các thiết bị điện tử. Ngoài ra, Advent Diamond đã đạt được một cột mốc quan trọng trong việc phát triển các lớp kim cương pha tạp boron trên diện rộng, mở rộng các ứng dụng tiềm năng của thiết bị điện tử dựa trên kim cương.
Chuyên môn của Advent Diamond mở rộng ra ngoài việc phát triển vật liệu để bao gồm khả năng thiết kế, sản xuất và mô tả đặc tính thành phần toàn diện. Điều này bao gồm các quy trình phòng sạch tiên tiến như khắc axit, quang khắc và kim loại hóa, cũng như một bộ kỹ thuật mô tả đặc tính toàn diện như kính hiển vi, phép đo elip và đo điện. Advent Diamond tuyên bố rằng họ đã sử dụng công nghệ tăng trưởng tiên tiến này để phát triển lớp kim cương nội tại với nồng độ tạp chất cực thấp, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng và hiệu suất cao nhất của vật liệu kim cương cấp bán dẫn.
Manpuneet Benipal, đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của Advent Diamond, cho biết máy dò bức xạ kim cương cải tiến đang được Advent Diamond phát triển cung cấp các giải pháp biến đổi cho thị trường quốc phòng, thương mại và khoa học. Bằng cách sử dụng các lớp kim cương bán dẫn nội tại và pha tạp, các máy dò này có độ cứng bức xạ đặc biệt và khả năng khử nhiễu để phát hiện bức xạ hạt năng lượng cao. Những máy dò này được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ hạt cực tím và hạt alpha đến tia X và proton, thể hiện khả năng kỹ thuật của Advent Diamond.
Benipal chỉ ra rằng Advent Diamond hiện có các tấm wafer kim cương dát từ 1 đến 2 inch và đang nỗ lực mở rộng kích thước wafer lên 4 inch. Tuy nhiên, mật độ khuyết tật vẫn là một vấn đề nghiêm trọng, với hầu hết các tấm bán dẫn có khoảng 108 khuyết tật/cm2 hoặc cao hơn. Ông cho biết khuyết tật phải giảm xuống 103 khuyết tật/cm2 mới đạt được hiệu suất như mong đợi.
Để giải quyết những thách thức này, các cơ quan đang tài trợ cho các dự án công nghệ kim cương có thể mở rộng, nhấn mạnh vào việc phát triển vật liệu chất lượng cao và thiết bị bán dẫn tiên tiến. Trên toàn cầu, các nhóm nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện cấu trúc thiết bị kim cương như điốt, bóng bán dẫn và mạch tích hợp. Sự hợp tác này nhằm mục đích thúc đẩy chất bán dẫn kim cương vào các ứng dụng phổ biến và cải thiện hiệu suất cũng như độ tin cậy trong các lĩnh vực quan trọng.
"Advent Diamond đang dẫn đầu sự phát triển của các lớp vật liệu kim cương nội tại và pha tạp [loại p và loại n] trưởng thành, cũng như các bộ phận/thiết bị được chế tạo từ các lớp kim cương chất lượng cao này, cho các ứng dụng trong công nghệ điện khí hóa, viễn thông và lượng tử", Manpuneet Benipal cho biết: “Kim cương thể hiện các đặc tính điện và vật liệu vượt trội so với GaN và SiC, đồng thời chúng tôi mong muốn chuyển những đặc tính này thành hiệu suất của thiết bị bán dẫn vượt trội. Tầm nhìn của chúng tôi là biến đổi chất bán dẫn kim cương với các thông số kỹ thuật và hiệu suất tuyệt vời. Các thiết bị được đưa vào thị trường thương mại, khuyến khích đổi mới trong các ứng dụng điện khí hóa, viễn thông và lượng tử. Các lớp kim cương nội tại và pha tạp có độ dày khác nhau đảm bảo tạo ra các thiết bị bán dẫn kim cương, cảm biến bức xạ và vật liệu/thiết bị lượng tử hiệu suất cao cho nhiều ứng dụng thương mại".
Tại Hoa Kỳ, có một công ty khác tên là Akhan Semiconductor, cũng cam kết nghiên cứu và phát triển vật liệu bán dẫn kim cương. Công ty này được thành lập vào năm 2007 và ngay từ năm 2013, công ty đã thu được viên kim cương nhiệt độ thấp mang tính đột phá do Argonne phát triển. Phòng thí nghiệm Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cấp phép độc quyền cho các ứng dụng bán dẫn kim cương trong công nghệ lắng đọng.
Công nghệ này có thể lắng đọng kim cương tinh thể nano trên nhiều loại vật liệu nền wafer ở nhiệt độ thấp tới 400 độ C. Sự kết hợp giữa công nghệ kim cương nhiệt độ thấp từ quy trình Miraj Diamond của Argonne và Akhan đã phá vỡ rào cản hạn chế việc sử dụng màng kim cương trong ngành bán dẫn đối với doping loại p.
Akhan sau đó đã chính thức công bố nền tảng Miraj Diamond của riêng mình, nền tảng này đã phát triển một quy trình mới được cấp bằng sáng chế trong đó vật liệu kim cương loại n được tạo ra trên silicon với các đặc tính chưa được chứng minh trước đây, chẳng hạn như năng lượng ion hóa nông 250 meV(a), độ linh động hạt tải điện cao (lớn hơn hơn 1000 cm2/Vs trong màng kim cương tinh thể nano), không có pha than chì và hiệu suất trước đây chưa được chứng minh trong các ứng dụng thiết bị điốt dòng điện cao áp thấp (mật độ dòng điện 900(b) ở độ lệch thuận +2V) A/mm2).
Vào tháng 8 năm 2021, Akhan công bố phát triển tấm wafer 300 mm (12 inch) đầu tiên kết hợp silicon CMOS với chất nền kim cương, đạt được một cột mốc quan trọng.
Adam Khan, người sáng lập và Giám đốc điều hành của Akhan, đã thành lập một công ty mới, Diamond Quanta, vào tháng 1 năm nay. Công ty tập trung vào lĩnh vực bán dẫn và đặt mục tiêu sử dụng các đặc tính tuyệt vời của kim cương để cung cấp các giải pháp tiên tiến cho điện tử công suất và thiết bị quang tử lượng tử.
Diamond Quanta đã công bố vào tháng 5 rằng họ có "khuôn khổ kim cương thống nhất" tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế doping thực sự. Công nghệ tiên tiến này tích hợp liền mạch các yếu tố mới vào cấu trúc của viên kim cương, mang lại cho nó những đặc tính mới mà không làm hỏng tính toàn vẹn tinh thể của nó. Kết quả là, kim cương, một vật liệu truyền thống được biết đến với đặc tính cách điện, đã được biến đổi thành chất bán dẫn hiệu suất cao có khả năng hỗ trợ cả hạt mang điện âm (loại n) và dương (loại p). Mức độ di động này cho thấy mạng kim cương rất sạch và có trật tự, đồng thời các trung tâm tán xạ bị thụ động một cách hiệu quả do thực hiện thành công chiến lược đồng pha tạp giúp giảm thiểu tác động của các khiếm khuyết vận chuyển chất mang. Ngoài ra, quá trình pha tạp còn tinh chỉnh cấu trúc kim cương hiện có bằng cách điều chỉnh các sai lệch, từ đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Những tiến bộ này không chỉ bảo tồn mà còn nâng cao cấu trúc kim cương, tránh những cạm bẫy phổ biến như biến dạng mạng tinh thể đáng kể hoặc tạo ra các trạng thái bẫy thường làm giảm độ linh động.
“Việc ra mắt Diamond Quanta và phát triển quy trình doping tiên tiến này là điều cần thiết. Các ngành công nghiệp như điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, năng lượng, v.v. đang tìm kiếm một công nghệ bán dẫn có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng do nhu cầu luôn thay đổi”, người sáng lập và CEO của Diamond Quanta, Adam Khan, cho biết. "Công nghệ của chúng tôi không chỉ là vật liệu thay thế cho các ngành công nghiệp đang tìm cách cải thiện hiệu suất bán dẫn; chúng tôi đang giới thiệu một vật liệu hoàn toàn mới sẽ xác định lại các tiêu chuẩn về hiệu suất, độ bền và hiệu quả nhằm hỗ trợ liền mạch khối lượng công việc ngày càng nặng nề”.
Vẫn còn một chặng đường dài để sản xuất hàng loạt và sử dụng thương mại loại vật liệu này. Tuy nhiên, chúng ta tin rằng với sự thúc đẩy chung của tất cả các bên, vật liệu kim cương với nhiều đặc tính tuyệt vời sẽ được phát triển hơn nữa trong tương lai, trở thành một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu. #Cuộcchiếnbándẫn
Để đạt được mục tiêu khử cacbon, ngành công nghiệp chip đã theo đuổi các chất bán dẫn hiệu quả và mạnh mẽ hơn trong vài năm qua. Sự xuất hiện và phát triển của các vật liệu bán dẫn như gali nitrit (GaN) và cacbua silic (SiC) đã cho phép ngành này vượt qua ranh giới của silicon để phát triển các công nghệ hiệu quả và bền vững hơn. Những vật liệu này hiện đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, xe điện và các công nghệ khác giúp giảm lượng khí thải carbon.
Sau gali nitrit và cacbua silic, kim cương nhân tạo, đã lọt vào tầm mắt mọi người như một vật liệu bán dẫn mới và thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong ngành.
Kim cương nổi tiếng với độ cứng và độ sáng vô song. Trong hơn nửa thế kỷ, đồ trang sức đã được sử dụng rộng rãi và có giá trị nhất. Giờ đây, nó đã mở ra triển vọng rộng lớn trong vật liệu bán dẫn do những đặc tính riêng của nó.
Chip kim cương có ưu điểm gì?
So với các vật liệu bán dẫn hiện có, kim cương có ba ưu điểm chính: quản lý nhiệt, tối ưu hóa chi phí/hiệu quả và giảm phát thải CO2.Trong tất cả các bộ chuyển đổi điện thông thường, hệ thống làm mát là một bộ phận cần thiết. Không giống như hầu hết các vật liệu bán dẫn, điện trở suất của kim cương giảm khi nhiệt độ tăng. Kết quả là các thiết bị làm từ vật liệu này hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ 150 độ C (nhiệt độ hoạt động điển hình của các thiết bị điện) so với nhiệt độ phòng. Mặc dù cần phải nỗ lực đáng kể để làm mát các thiết bị silicon hoặc cacbua silic tiếp xúc với nhiệt độ cao, vấn đề chỉ đơn giản là cho phép viên kim cương tìm được trạng thái ổn định trong quá trình hoạt động.
Diamond cũng có khả năng tản nhiệt tốt. Do tổn thất tản nhiệt thấp, khả năng tản nhiệt cao và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, bộ chuyển đổi được chế tạo bằng thiết bị hoạt động kim cương có thể nhẹ hơn 5 lần và nhỏ hơn 5 lần so với giải pháp dựa trên silicon và nhẹ hơn 3 lần so với giải pháp dựa trên silicon cacbua, nhỏ hơn 3 lần.
Tấm kim cương siêu mỏng do Diamond Foundry chế tạo
Nếu trọng tâm là giảm chi phí thiết bị thì chip kim cương có thể được thiết kế với chi phí thấp hơn 30% so với chip cacbua silic, vì với cùng hiệu suất và hiệu suất điện, chip kim cương sử dụng diện tích kim cương ít hơn 50 lần so với chip cacbua silic tương đương, quản lý nhiệt lại tốt hơn.
Nếu bạn tập trung vào hiệu quả, kim cương có thể giảm tổn thất năng lượng gấp ba lần so với cacbua silic và kích thước chip có thể giảm tới 4 lần, do đó trực tiếp tiết kiệm mức tiêu thụ năng lượng.
Nếu trọng tâm là khối lượng và trọng lượng của hệ thống, thì bằng cách tăng tần số chuyển mạch, các thiết bị kim cương có thể giảm khối lượng của các bộ phận thụ động xuống bốn lần so với các bộ chuyển đổi dựa trên cacbua silic. Ngoài việc giảm âm lượng, điều này cũng có thể đạt được bằng cách thu nhỏ tản nhiệt.
Điều đáng nói là kim cương còn có đặc tính cách nhiệt cực cao. Một chỉ số quan trọng để đo chất lượng cách điện của các vật liệu khác nhau là cường độ điện trường đánh thủng, cho biết điện áp tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không gây ra sự cố điện. Để so sánh, cường độ điện trường đánh thủng của vật liệu silicon là khoảng 0,3 MV/cm, SiC là 3 MV/cm, GaN là 5 MV/cm và kim cương là 10 MV/cm, và ngay cả những lát kim cương rất mỏng cũng có khả năng chịu được điện áp rất cao.
Từ quan điểm sử dụng cụ thể, chất nền kim cương có độ dẫn nhiệt tuyệt vời và có thể đạt được khả năng tản nhiệt hiệu quả cho các thành phần 5G công suất cao (trạm gốc, bộ khuếch đại), đảm bảo hoạt động ổn định và ngăn ngừa quá nhiệt. Việc triển khai liên tục cơ sở hạ tầng 5G và nhu cầu vô độ về tốc độ dữ liệu nhanh hơn đã thúc đẩy việc áp dụng chất nền kim cương trong nhiều thiết bị liên quan đến 5G khác nhau. Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của lưu lượng dữ liệu 5G đồng nghĩa với việc sẽ cần đến thiết bị có thể quản lý mật độ năng lượng cao được tạo ra ở tần số cực cao. Chất nền kim cương cung cấp câu trả lời cho những câu hỏi này.
Ngoài ra, chất nền kim cương kết hợp với gali nitrit hoặc cacbua silic có thể tạo ra các thiết bị điện có điện áp hoạt động cao hơn, tần số cao hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn so với các giải pháp dựa trên silicon truyền thống cho xe điện, ứng dụng tái tạo Bộ biến tần năng lượng, truyền động động cơ công nghiệp, cao -laser năng lượng và nguồn cung cấp năng lượng tiên tiến là tất cả các lĩnh vực mà chất nền kim cương ngày càng được sử dụng nhiều hơn.
Chất nền kim cương hoạt động như một bộ tản nhiệt tuyệt vời, kéo dài tuổi thọ và độ tin cậy của các thiết bị này. Khi quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch hơn và quá trình điện khí hóa phương tiện giao thông tăng tốc, chất nền kim cương cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng. Giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi năng lượng giúp cải thiện hiệu suất tổng thể, một khía cạnh quan trọng của xe điện và lưới điện bền vững. Chất nền kim cương cho phép thiết kế các thiết bị điện tử công suất nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng có không gian hạn chế như xe điện.
Dữ liệu từ Virtuemarket nước ngoài chỉ ra rằng giá trị thị trường chất bán dẫn kim cương toàn cầu sẽ là 151 triệu USD vào năm 2023 và quy mô thị trường dự kiến sẽ đạt 342 triệu USD vào cuối năm 2030. Thị trường dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 12,3% trong giai đoạn dự báo 2024-2030. Họ tin rằng do nhu cầu ngày càng tăng từ ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn ở các quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc, khu vực Châu Á - Thái Bình Dương dự kiến sẽ thống trị thị trường chất nền bán dẫn kim cương và chiếm hơn 40% doanh thu toàn cầu chia sẻ vào năm 2023.
Chip kim cương đối mặt với thử thách nào?
Tất nhiên, vật liệu bán dẫn có hiệu suất tuyệt vời như vậy còn phải chịu một số hạn chế ở các khía cạnh khác.Đầu tiên là chi phí. So với silic, cacbua silic có giá cao hơn từ 30 đến 40 lần, trong khi gali nitrit có giá cao hơn từ 650 đến 1.300 lần. Vật liệu kim cương tổng hợp dùng trong nghiên cứu chất bán dẫn đắt hơn silicon khoảng 10.000 lần.
Một vấn đề khác là kích thước nhỏ của tấm kim cương. Tấm kim cương lớn nhất trên thị trường có kích thước nhỏ hơn 10 mm vuông. Việc pha tạp vật liệu này bằng cách cấy ion là rất khó và hiệu suất kích hoạt hạt mang điện của vật liệu giảm ở nhiệt độ phòng.
Để giải quyết các vấn đề về sản xuất và ứng dụng, nhiều công ty đang nỗ lực phát triển các công nghệ liên quan để sản xuất hàng loạt kim cương. Đầu năm 2023, Đại học Saga của Nhật Bản và Orbray của Nhật Bản đã cùng nhau phát triển một chất bán dẫn điện làm từ kim cương. Họ đã tạo ra một tấm wafer đơn 2 inch trên nền sapphire. Vào tháng 10 năm 2023, Xưởng đúc kim cương của Hoa Kỳ đã sản xuất thành công wafer kim cương đầu tiên trên thế giới, đường kính khoảng 4 inch.
Ngoài hai công ty kể trên, Diamfab, một công ty khởi nghiệp về kim cương bán dẫn có trụ sở tại Grenoble, Pháp, cũng đang liên tục nghiên cứu về công nghệ chip kim cương.
Vào tháng 3 năm nay, công ty thông báo đã nhận được khoản tài trợ vòng đầu tiên trị giá 8,7 triệu euro. Khoản tài trợ này đến từ Asterion Ventures, Quỹ Hạt giống Công nghệ Pháp được quản lý thay mặt cho chính phủ Pháp (một phần của France 2030), Quỹ Khu vực Kreaxi và Avenir Industrie Auvergne-Rhône-Alpes, Better Angle, Hello Tomorrow và Vùng Grenoble Alpes.
Diamfab là một sản phẩm phụ của phòng thí nghiệm Institut Néel của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) và là kết quả của 30 năm nghiên cứu và phát triển về phát triển kim cương tổng hợp. Dự án Diamfab ban đầu được ươm tạo tại SATT Linksium ở Grenoble Alps, một công ty được thành lập vào tháng 3 năm 2019 bởi Gauthier Chicot và Khaled Driche, hai tiến sĩ về điện tử nano và là nhà nghiên cứu được công nhận trong lĩnh vực kim cương bán dẫn.
Diamfab cho biết, để đáp ứng nhu cầu thị trường về chất bán dẫn và linh kiện điện trong ngành công nghiệp ô tô, năng lượng tái tạo và lượng tử, công ty đã phát triển các công nghệ đột phá trong lĩnh vực epitaxy và doping kim cương tổng hợp. Nó đã phát triển các công nghệ đột phá trong lĩnh vực epit Wax và pha tạp kim cương tổng hợp và nắm giữ bốn bằng sáng chế. Chuyên môn của nó nằm ở việc phát triển và pha tạp các lớp kim cương mỏng cũng như thiết kế các linh kiện điện tử kim cương.
Vòng tài trợ đầu tiên sẽ cho phép Diamfab thiết lập một dây chuyền sản xuất thí điểm, tiền công nghiệp hóa công nghệ và đẩy nhanh quá trình phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất bán dẫn kim cương.
Diamfab trước đây đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho tụ điện hoàn toàn bằng kim cương và đang làm việc với các nhà lãnh đạo trong lĩnh vực này, Giám đốc điều hành Diamfab Gauthier Chicot cho biết: “Trong số các thông số khác, chúng tôi đã đạt được mục tiêu: mật độ dòng điện cao hơn 1000A/cm2 và điện đánh thủng trường lớn hơn 7,7MV/cm. Đây là những thông số chính cho hiệu suất của thiết bị trong tương lai và đã vượt trội so với những thông số được cung cấp bởi các vật liệu hiện có như SiC. Hơn nữa, chúng tôi có lộ trình rõ ràng đến năm 2025. Mục tiêu chính là đạt được các tấm bán dẫn 4 inch mỗi năm. tạo điều kiện cho sản xuất hàng loạt”.
“Trong hai năm qua, chúng tôi đã đạt được tiến bộ đáng kể khi hợp tác với các nhóm R&D để xử lý các tấm kim cương có giá trị gia tăng cao. Cách tiếp cận theo định hướng ứng dụng dựa trên mô hình kinh doanh kép giờ đây sẽ cho phép chúng tôi làm việc với nhiều đối tác công nghiệp hơn, phát triển và tiếp thị các tấm kim cương có giá trị gia tăng cao cũng như quy trình sản xuất thiết bị kim cương đã được cấp bằng sáng chế, đồng thời bán trực tiếp cho người dùng cuối theo mô hình nhà máy nhẹ”, Chicot cho biết.
"Trong quá trình phát triển một ngành công nghiệp tiên tiến như của chúng tôi, mọi giai đoạn đều rất quan trọng. Dự án thí điểm sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều cuộc thảo luận của chúng tôi với các đối tác và củng cố mối quan hệ của chúng tôi với các khoản đầu tư cam kết cho ngành và khí hậu. Điều quan trọng là chúng tôi phải làm việc với ngành, người chơi và quan trọng nhất là họ hiểu được những hạn chế và mối liên kết của ngành”, Chicot cho biết.
Charles, đối tác tại Asterion Ventures, người đứng đầu giao dịch, cho biết: “Công nghệ mà chúng tôi phát triển có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon lịch sử của chất bán dẫn và thực hiện điều này bằng cách chuyển đổi các ngành công nghiệp chủ chốt ở châu Âu, một trong những ưu tiên đầu tư của chúng tôi khi hợp tác với Asterion”, Henry Choel giải thích, “Các công ty công nghệ sâu trong ngành cần sự hỗ trợ lâu dài, bình tĩnh và đó chính xác là những gì chúng tôi cung cấp”.
Thật trùng hợp, Advent Diamond ở Hoa Kỳ cũng là một công ty khởi nghiệp cam kết sản xuất hàng loạt vật liệu bán dẫn kim cương. Vào tháng 4 năm nay, công ty đã nhận lời phỏng vấn với EE Times và tiết lộ tiến độ của mình trong lĩnh vực này.
Một trong những cải tiến cốt lõi của Advent Diamond là khả năng phát triển kim cương pha tạp phốt pho đơn tinh thể trên chất nền ưa thích và đây là công ty duy nhất ở Hoa Kỳ có khả năng này. Sự pha tạp phốt pho đặc biệt có ý nghĩa vì nó tạo ra chất bán dẫn loại n trong kim cương, yếu tố then chốt trong sự phát triển của các thiết bị điện tử. Ngoài ra, Advent Diamond đã đạt được một cột mốc quan trọng trong việc phát triển các lớp kim cương pha tạp boron trên diện rộng, mở rộng các ứng dụng tiềm năng của thiết bị điện tử dựa trên kim cương.
Chuyên môn của Advent Diamond mở rộng ra ngoài việc phát triển vật liệu để bao gồm khả năng thiết kế, sản xuất và mô tả đặc tính thành phần toàn diện. Điều này bao gồm các quy trình phòng sạch tiên tiến như khắc axit, quang khắc và kim loại hóa, cũng như một bộ kỹ thuật mô tả đặc tính toàn diện như kính hiển vi, phép đo elip và đo điện. Advent Diamond tuyên bố rằng họ đã sử dụng công nghệ tăng trưởng tiên tiến này để phát triển lớp kim cương nội tại với nồng độ tạp chất cực thấp, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng và hiệu suất cao nhất của vật liệu kim cương cấp bán dẫn.
Manpuneet Benipal, đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của Advent Diamond, cho biết máy dò bức xạ kim cương cải tiến đang được Advent Diamond phát triển cung cấp các giải pháp biến đổi cho thị trường quốc phòng, thương mại và khoa học. Bằng cách sử dụng các lớp kim cương bán dẫn nội tại và pha tạp, các máy dò này có độ cứng bức xạ đặc biệt và khả năng khử nhiễu để phát hiện bức xạ hạt năng lượng cao. Những máy dò này được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ hạt cực tím và hạt alpha đến tia X và proton, thể hiện khả năng kỹ thuật của Advent Diamond.
Benipal chỉ ra rằng Advent Diamond hiện có các tấm wafer kim cương dát từ 1 đến 2 inch và đang nỗ lực mở rộng kích thước wafer lên 4 inch. Tuy nhiên, mật độ khuyết tật vẫn là một vấn đề nghiêm trọng, với hầu hết các tấm bán dẫn có khoảng 108 khuyết tật/cm2 hoặc cao hơn. Ông cho biết khuyết tật phải giảm xuống 103 khuyết tật/cm2 mới đạt được hiệu suất như mong đợi.
Để giải quyết những thách thức này, các cơ quan đang tài trợ cho các dự án công nghệ kim cương có thể mở rộng, nhấn mạnh vào việc phát triển vật liệu chất lượng cao và thiết bị bán dẫn tiên tiến. Trên toàn cầu, các nhóm nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện cấu trúc thiết bị kim cương như điốt, bóng bán dẫn và mạch tích hợp. Sự hợp tác này nhằm mục đích thúc đẩy chất bán dẫn kim cương vào các ứng dụng phổ biến và cải thiện hiệu suất cũng như độ tin cậy trong các lĩnh vực quan trọng.
"Advent Diamond đang dẫn đầu sự phát triển của các lớp vật liệu kim cương nội tại và pha tạp [loại p và loại n] trưởng thành, cũng như các bộ phận/thiết bị được chế tạo từ các lớp kim cương chất lượng cao này, cho các ứng dụng trong công nghệ điện khí hóa, viễn thông và lượng tử", Manpuneet Benipal cho biết: “Kim cương thể hiện các đặc tính điện và vật liệu vượt trội so với GaN và SiC, đồng thời chúng tôi mong muốn chuyển những đặc tính này thành hiệu suất của thiết bị bán dẫn vượt trội. Tầm nhìn của chúng tôi là biến đổi chất bán dẫn kim cương với các thông số kỹ thuật và hiệu suất tuyệt vời. Các thiết bị được đưa vào thị trường thương mại, khuyến khích đổi mới trong các ứng dụng điện khí hóa, viễn thông và lượng tử. Các lớp kim cương nội tại và pha tạp có độ dày khác nhau đảm bảo tạo ra các thiết bị bán dẫn kim cương, cảm biến bức xạ và vật liệu/thiết bị lượng tử hiệu suất cao cho nhiều ứng dụng thương mại".
Tại Hoa Kỳ, có một công ty khác tên là Akhan Semiconductor, cũng cam kết nghiên cứu và phát triển vật liệu bán dẫn kim cương. Công ty này được thành lập vào năm 2007 và ngay từ năm 2013, công ty đã thu được viên kim cương nhiệt độ thấp mang tính đột phá do Argonne phát triển. Phòng thí nghiệm Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cấp phép độc quyền cho các ứng dụng bán dẫn kim cương trong công nghệ lắng đọng.
Công nghệ này có thể lắng đọng kim cương tinh thể nano trên nhiều loại vật liệu nền wafer ở nhiệt độ thấp tới 400 độ C. Sự kết hợp giữa công nghệ kim cương nhiệt độ thấp từ quy trình Miraj Diamond của Argonne và Akhan đã phá vỡ rào cản hạn chế việc sử dụng màng kim cương trong ngành bán dẫn đối với doping loại p.
Akhan sau đó đã chính thức công bố nền tảng Miraj Diamond của riêng mình, nền tảng này đã phát triển một quy trình mới được cấp bằng sáng chế trong đó vật liệu kim cương loại n được tạo ra trên silicon với các đặc tính chưa được chứng minh trước đây, chẳng hạn như năng lượng ion hóa nông 250 meV(a), độ linh động hạt tải điện cao (lớn hơn hơn 1000 cm2/Vs trong màng kim cương tinh thể nano), không có pha than chì và hiệu suất trước đây chưa được chứng minh trong các ứng dụng thiết bị điốt dòng điện cao áp thấp (mật độ dòng điện 900(b) ở độ lệch thuận +2V) A/mm2).
Vào tháng 8 năm 2021, Akhan công bố phát triển tấm wafer 300 mm (12 inch) đầu tiên kết hợp silicon CMOS với chất nền kim cương, đạt được một cột mốc quan trọng.
Adam Khan, người sáng lập và Giám đốc điều hành của Akhan, đã thành lập một công ty mới, Diamond Quanta, vào tháng 1 năm nay. Công ty tập trung vào lĩnh vực bán dẫn và đặt mục tiêu sử dụng các đặc tính tuyệt vời của kim cương để cung cấp các giải pháp tiên tiến cho điện tử công suất và thiết bị quang tử lượng tử.
Diamond Quanta đã công bố vào tháng 5 rằng họ có "khuôn khổ kim cương thống nhất" tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế doping thực sự. Công nghệ tiên tiến này tích hợp liền mạch các yếu tố mới vào cấu trúc của viên kim cương, mang lại cho nó những đặc tính mới mà không làm hỏng tính toàn vẹn tinh thể của nó. Kết quả là, kim cương, một vật liệu truyền thống được biết đến với đặc tính cách điện, đã được biến đổi thành chất bán dẫn hiệu suất cao có khả năng hỗ trợ cả hạt mang điện âm (loại n) và dương (loại p). Mức độ di động này cho thấy mạng kim cương rất sạch và có trật tự, đồng thời các trung tâm tán xạ bị thụ động một cách hiệu quả do thực hiện thành công chiến lược đồng pha tạp giúp giảm thiểu tác động của các khiếm khuyết vận chuyển chất mang. Ngoài ra, quá trình pha tạp còn tinh chỉnh cấu trúc kim cương hiện có bằng cách điều chỉnh các sai lệch, từ đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Những tiến bộ này không chỉ bảo tồn mà còn nâng cao cấu trúc kim cương, tránh những cạm bẫy phổ biến như biến dạng mạng tinh thể đáng kể hoặc tạo ra các trạng thái bẫy thường làm giảm độ linh động.
“Việc ra mắt Diamond Quanta và phát triển quy trình doping tiên tiến này là điều cần thiết. Các ngành công nghiệp như điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, năng lượng, v.v. đang tìm kiếm một công nghệ bán dẫn có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng do nhu cầu luôn thay đổi”, người sáng lập và CEO của Diamond Quanta, Adam Khan, cho biết. "Công nghệ của chúng tôi không chỉ là vật liệu thay thế cho các ngành công nghiệp đang tìm cách cải thiện hiệu suất bán dẫn; chúng tôi đang giới thiệu một vật liệu hoàn toàn mới sẽ xác định lại các tiêu chuẩn về hiệu suất, độ bền và hiệu quả nhằm hỗ trợ liền mạch khối lượng công việc ngày càng nặng nề”.
Vẫn còn một chặng đường dài để sản xuất hàng loạt và sử dụng thương mại loại vật liệu này. Tuy nhiên, chúng ta tin rằng với sự thúc đẩy chung của tất cả các bên, vật liệu kim cương với nhiều đặc tính tuyệt vời sẽ được phát triển hơn nữa trong tương lai, trở thành một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực vật liệu. #Cuộcchiếnbándẫn
