应用前沿资讯｜NASA 采用金刚石基材研发金星探测电子器件，功率密度较同规格 GaN 器件提升约 2.7 倍

面向深空行星着陆等极端工况场景，耐高温半导体芯片材料现已成为全球重点研究方向，金星探测任务便是典型应用场景。金星地表环境严苛，地表温度可达 500℃上下，大气压强等同于地球水下 900 米深度环境，大气以二氧化碳为主并伴随硫酸云层侵蚀。氮化镓（GaN）器件凭借优异特性广泛应用于电源变换电路，但仅能适配部分极端工况；航空航天、高端工业场景普遍存在高压、高温、强腐蚀环境，常规硅基半导体器件难以在此类工况下稳定运行。

金刚石材料具备宽禁带、超高热导率、高击穿电场、高载流子迁移率、耐高温、耐酸碱腐蚀、抗空间辐照等综合优异理化性能，可长期耐受各类极端工况，在金星高压、高温、强腐蚀恶劣探测环境中具备极高工程应用价值。

除此之外，航天飞行器载荷重量直接制约整体探测任务的运载与续航能力，每增加一克防护材料都会挤占航天器载荷余量。传统方案依靠密封封装结构保护电子元器件抵御极端环境，却会大幅提升设备自重与整机系统复杂程度。相关科研团队披露，初代金星着陆器方案需配置 686 公斤密封防护舱，设备有效工作时长仅 5 小时；引入金刚石半导体器件优化设计后，电子系统无需厚重防护结构，整机配套重量降至 20 公斤，重量主体仅为储能电池。更关键的是，依托金刚石器件的耐环境特性，NASA 已具备规划长达 60 天长期探测任务的技术条件。

将金刚石应用于半导体器件，可为高温工况带来多重独特性能优势。金刚石内部掺杂杂质在常温环境下电离不完全，升温后载流子浓度随之提升，该特性与氮化镓材料呈现完全相反的变化规律，温度条件对金刚石器件输出性能具备显著调控作用。但材料载流子迁移率会随温度上升逐步衰减，致使金刚石导电性能在 150℃–200℃区间达到峰值；器件驱动电流随温度升高同步提升，同时漏电流也会同步增大。

相关研究文献数据显示，高温环境会使金刚石基 MESFET 器件开关电流比由 1×10⁸降至 1000 左右。该类器件以商用 CVD 本征金刚石衬底为基底，依次制备 p 型、p + 型掺杂功能层，完成隔离层与源漏区刻蚀工艺后，沉积 Ti/Au 金属体系制备源极、漏极欧姆接触，采用 Mo/Au 材料制备栅极肖特基接触。麻省理工学院相关研究团队在材料研究学会（MRS）相关研究中，将氮化镓鳍式场效应晶体管仿真模型迁移至金刚石器件仿真测算，建模结果显示金刚石器件线性功率密度可达 7.36MW/cm²，相较同规格氮化镓器件提升约 2.7 倍。

行星探测材料技术的迭代升级，是人类深空探索事业发展的重要基石。当前海内外科研机构均开展大量试验研究，持续推进金刚石材料在航空航天、国防军工等高端领域产业化落地。化合积电深耕金刚石材料研发与规模化制备，现已推出金刚石散热基板、晶圆级金刚石、金刚石薄膜镀膜等系列产品与配套加工服务。搭载金刚石热沉基板的大功率半导体激光器已实现光通信领域商用，同时金刚石材料在激光二极管、卫星散热基板、微电子封装基材等赛道均实现批量落地应用。