纳米金刚石芯片：商业化即将到来
钻石以其极高的硬度和亮度而闻名。50 多年来，它的主要用途一直是珠宝。然而，由于其独特的性质，钻石现在正成为继氮化镓和碳化硅之后的新型半导体材料。
优势
与目前的半导体材料相比，金刚石具有三大主要优势：
1.热管理
芯片需要冷却系统，这增加了芯片的复杂性。与大多数半导体材料不同，金刚石的电阻率会随着温度升高而降低，这意味着金刚石芯片在高温（约 150°C）下的性能优于室温。这使得金刚石芯片不需要冷却系统，而硅或碳化硅芯片则需要昂贵的冷却解决方案。
2. 成本与效率
芯片设计通常涉及成本、效率、尺寸和重量之间的平衡。如果以降低成本为首要目标，那么金刚石芯片比碳化硅芯片便宜 30%。如果以最大化效率为目标，那么与碳化硅相比，金刚石芯片可将能量损失减少三倍，芯片尺寸最多可缩小四倍，从而节省空间和能源。
3. 减少碳排放
金刚石的击穿电场强度比其他材料高得多：
- 硅：0.3MV/cm
- 碳化硅（SiC）：3MV/cm
- 氮化镓（GaN）：5MV/cm
- 钻石：10MV/cm
即使非常薄的金刚石层也能提供出色的电绝缘性，并能承受高电压。当与氮化镓或碳化硅等材料搭配使用时，金刚石可以增强功率器件，提供更高的电压、频率和能效。这在电动汽车、可再生能源逆变器、工业电机、高功率激光器和先进电源方面有广泛应用，所有这些都受益于碳排放的减少。
挑战
尽管金刚石芯片具有诸多优点，但它也有一些局限性：
- 成本高：碳化硅的价格比硅贵 30 至 40 倍，氮化镓的价格比硅贵 650 至 1,300 倍。半导体中使用的合成金刚石的价格比硅贵约 10,000 倍。
- 晶圆尺寸小：钻石晶圆对于大规模芯片生产来说仍然太小，可用的最大晶圆尺寸不到10平方毫米。