被稱為「終極功率半導體」、使用金剛石的電力控制用半導體的開發取得進展。與作為新一代功率半導體的碳化矽（SiC）産品和氮化鎵（GaN）産品相比，耐高電壓等性能出色，電力損耗被認為可減少到矽製産品的五萬分之一。金剛石功率半導體的耐熱性和抗輻射性也很強，到2050年前後，有望成為人造衛星等所必需的構件。

 

用金剛石製成的半導體的耐高壓性和耐熱性出色

 

       金剛石的魅力在於其突出的潛能。即便電壓高達矽製功率半導體的約30倍，也不會遭到破壞，而且散熱性能是矽製産品的10倍以上。理論上可實現電力效率優於矽製産品5萬倍的功率半導體。

 

       但難點在於金剛石很難作為電子材料來使用。金剛石在所有材料中最為堅硬。由於不能使用比自身更堅硬的材料來加工，因此很難進行在原子層面上將基板表面磨平等精密加工。而且也尚未確立混入磷或硼而使其具備半導體性質的「摻雜（Doping）」技術。

 

       向這些課題發起挑戰的是日本佐賀大學教授嘉數誠。2022年，嘉數教授與精密零部件製造商日本Orbray合作開發出了用金剛石製成的功率半導體，並以1平方釐米875兆瓦的電力運作。在金剛石半導體中，輸出功率值為全球最高，在所有半導體中也僅次於氮化鎵産品的約2090兆瓦。

 

       為了使其具備半導體的性質，採用了向金剛石基板吹送二氧化氮氣體的方法。通過用氧化鋁膜進行保護，實現了高性能半導體器件。用特殊的研磨方法將基板表面磨平，設法降低了電阻。

 

       開發時使用了昂貴的人造金剛石，嘉數教授表示，「如果技術取得進步，製備金剛石所花費的成本將有望大幅降低」。雖然金剛石往往有著昂貴的印象，但其構成元素是碳，與煤炭、石墨相同，地球上的儲量十分豐富。而且製造過程中也沒有使用貴价的氣體等。

 

       作為鑽石半導體的用途備受期待的是人造衛星用通信設備。現有半導體在放射線下會發生叫做「軟錯誤（soft error）」的誤操作及劣化，因此衛星通信設備上使用的是真空管。

 

 

       如果能用耐放射線的鑽石半導體替代，可以高效使用在宇宙中供應有限的電力。埃隆·馬斯克領導的美國SpaceX的衛星通信服務「星鏈（Starlink）」及太空數據中心等衛星的通信需求將擴大。在地上也有可能成為支援新一代通信標準「6G」和量子電腦的技術。

 

 

       嘉數教授表示，「今後將轉向針對應用的研究，希望5年內提供試製品」。最近還出現了其他動向，比如源自早稻田大學創辦的初創企業Power Diamond Systems創立，開始涉足鑽石半導體的開發等。隨著研究由大學逐漸轉向企業主導，有望在2040年左右實現實用化。

 

       需要進一步擴大口徑

 

       嘉數教授等人之所有能實現高性能鑽石半導體，很大一個因素是鑽石基板（晶圓）口徑擴大到了2英吋（約50毫米）。晶圓製造由Orbray負責。過去在晶圓的基礎基板上也使用鑽石，而此次確立了使用易於擴大口徑的藍寶石的技術。

        

       不過，與使用300毫米晶圓的矽和150～200毫米晶圓的碳化矽相比，仍然較為落後。要想量産器件，需要面向擴大晶圓口徑和降低價格，進一步創新技術。

 

       鑽石在耐壓及耐熱性等性能上優於碳化矽和氮化鎵，也超過被視作「後碳化矽」的氧化鎵的潛在能力。理論上可以將電力損失降至碳化矽的1/80、氮化鎵的1/10以下。

 

       與碳化矽及氮化鎵等由多種元素構成的半導體不同，金剛石半導體由一種元素構成，因此不用在意元素的混合比例，這也是優點之一。能夠致力於提高基板結晶純度等。

 

       半導體産業的應用範圍很廣，從材料廠商到機器及系統廠商都在使用。構建圍繞鑽石半導體的供應鏈也是重要課題。

 

       日本經濟新聞（中文版：日經中文網）大越優樹

 

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