被称为“终极功率半导体”、使用金刚石的电力控制用半导体的开发取得进展。与作为新一代功率半导体的碳化硅（SiC）产品和氮化镓（GaN）产品相比，耐高电压等性能出色，电力损耗被认为可减少到硅制产品的五万分之一。金刚石功率半导体的耐热性和抗辐射性也很强，到2050年前后，有望成为人造卫星等所必需的构件。

 

用金刚石制成的半导体的耐高压性和耐热性出色

 

       金刚石的魅力在于其突出的潜能。即便电压高达硅制功率半导体的约30倍，也不会遭到破坏，而且散热性能是硅制产品的10倍以上。理论上可实现电力效率优于硅制产品5万倍的功率半导体。

 

       但难点在于金刚石很难作为电子材料来使用。金刚石在所有材料中最为坚硬。由于不能使用比自身更坚硬的材料来加工，因此很难进行在原子层面上将基板表面磨平等精密加工。而且也尚未确立混入磷或硼而使其具备半导体性质的“掺杂（Doping）”技术。

 

       向这些课题发起挑战的是日本佐贺大学教授嘉数诚。2022年，嘉数教授与精密零部件制造商日本Orbray合作开发出了用金刚石制成的功率半导体，并以1平方厘米875兆瓦的电力运行。在金刚石半导体中，输出功率值为全球最高，在所有半导体中也仅次于氮化镓产品的约2090兆瓦。

 

       为了使其具备半导体的性质，采用了向金刚石基板吹送二氧化氮气体的方法。通过用氧化铝膜进行保护，实现了高性能半导体器件。用特殊的研磨方法将基板表面磨平，设法降低了电阻。

 

       开发时使用了昂贵的人造金刚石，嘉数教授表示，“如果技术取得进步，制备金刚石所花费的成本将有望大幅降低”。虽然金刚石往往有着昂贵的印象，但其构成元素是碳，与煤炭、石墨相同，地球上的储量十分丰富。而且制造过程中也没有使用贵价的气体等。

 

       作为钻石半导体的用途备受期待的是人造卫星用通信设备。现有半导体在放射线下会发生叫做“软错误（soft error）”的误操作及劣化，因此卫星通信设备上使用的是真空管。

 

 

       如果能用耐放射线的钻石半导体替代，可以高效使用在宇宙中供应有限的电力。埃隆·马斯克领导的美国SpaceX的卫星通信服务“星链（Starlink）”及太空数据中心等卫星的通信需求将扩大。在地上也有可能成为支持新一代通信标准“6G”和量子计算机的技术。

 

 

       嘉数教授表示，“今后将转向针对应用的研究，希望5年内提供试制品”。最近还出现了其他动向，比如源自早稻田大学创办的初创企业Power Diamond Systems创立，开始涉足钻石半导体的开发等。随着研究由大学逐渐转向企业主导，有望在2040年左右实现实用化。

 

       需要进一步扩大口径

 

       嘉数教授等人之所有能实现高性能钻石半导体，很大一个因素是钻石基板（晶圆）口径扩大到了2英寸（约50毫米）。晶圆制造由Orbray负责。过去在晶圆的基础基板上也使用钻石，而此次确立了使用易于扩大口径的蓝宝石的技术。

        

       不过，与使用300毫米晶圆的硅和150～200毫米晶圆的碳化硅相比，仍然较为落后。要想量产器件，需要面向扩大晶圆口径和降低价格，进一步创新技术。

 

       钻石在耐压及耐热性等性能上优于碳化硅和氮化镓，也超过被视作“后碳化硅”的氧化镓的潜在能力。理论上可以将电力损失降至碳化硅的1/80、氮化镓的1/10以下。

 

       与碳化硅及氮化镓等由多种元素构成的半导体不同，金刚石半导体由一种元素构成，因此不用在意元素的混合比例，这也是优点之一。能够致力于提高基板结晶纯度等。

 

       半导体产业的应用范围很广，从材料厂商到机器及系统厂商都在使用。构建围绕钻石半导体的供应链也是重要课题。

 

       日本经济新闻（中文版：日经中文网）大越优树

 

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