金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)于其他半導(dǎo)體材料的出色特性，因此被譽(yù)為“終極功率半導(dǎo)體”?；跇I(yè)界長期的研發(fā)活動，如今金剛石半導(dǎo)體已經(jīng)開始逐步邁向?qū)嵱没?。但要真正普及推廣金剛石半導(dǎo)體的應(yīng)用，依然需要花費很長的時間，不過已經(jīng)有報道指出，最快在數(shù)年內(nèi)，將會出現(xiàn)金剛石材質(zhì)的半導(dǎo)體試作樣品。業(yè)界對金剛石半導(dǎo)體的關(guān)注程度越高，越易于匯集優(yōu)勢資源、加速研發(fā)速度。

       由日本的研發(fā)機(jī)構(gòu)引領(lǐng)的金剛石半導(dǎo)體

       筆者以往曾寫過關(guān)于金剛石半導(dǎo)體的文章，下面我們再次回顧一下其特點。如下表所示，金剛石在禁帶寬度(Band Gap)、電子遷移度、熱傳導(dǎo)率等諸多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)出色于其他半導(dǎo)體材料。與已經(jīng)實現(xiàn)商用的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）相比，金剛石具有出色的特性，因此被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”。此外，由于金剛石材料具有較好的抗輻射性，因此也有望被應(yīng)用于還未推廣使用半導(dǎo)體的太空領(lǐng)域。另外，不僅是半導(dǎo)體，金剛石也可應(yīng)用于量子傳感器。隨著量子計算機(jī)研發(fā)活動的推廣，越來越多的大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)在推進(jìn)金剛石的研發(fā)。

       主要是日本的研發(fā)機(jī)構(gòu)在引領(lǐng)金剛石半導(dǎo)體的研發(fā)工作。在1980年一一2000年期間，日本無機(jī)材質(zhì)研究所（如今的“NIMS”）、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡稱為：“產(chǎn)總研”）創(chuàng)造了諸多成果，如結(jié)晶合成法、制作了p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體等。尤其是日本產(chǎn)綜研的研發(fā)內(nèi)容一應(yīng)俱全，如金剛石結(jié)晶的生長、晶圓的制造、二極管和晶體管等元件的研發(fā)，即使是今天，產(chǎn)綜研的研發(fā)水平也是首屈一指。不過，迄今為止的研發(fā)活動都是僅限于實驗室內(nèi)的驗證工作，并且并未研發(fā)出可用于電子線路、設(shè)備的實際半導(dǎo)體。

       筆者依據(jù)產(chǎn)綜研的資料制作了上表。

       （表格出自：電子Device產(chǎn)業(yè)新聞）

       晶圓廠家的進(jìn)步促進(jìn)研發(fā)

       金剛石半導(dǎo)體研發(fā)被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過小，無法滿足需求。產(chǎn)總研下屬企業(yè)一一EDP株式會社（日本大阪府豐中市，以下簡稱為：“EDP”）自2009年創(chuàng)業(yè)之初就以擴(kuò)大晶圓尺寸為使命，長期以來在半導(dǎo)體行業(yè)一直默默無聞、研發(fā)新技術(shù)，以促進(jìn)企業(yè)增長。

       企業(yè)狀況的好轉(zhuǎn)源于寶石(鉆石)市場的興起。作為飾品的鉆石，一般以天然鉆石受人們歡迎，而人造鉆石的價值較低。在2015年一一2019年期間，大型鉆石廠家賦予人工鉆石以高昂的價值，從而使飾品類人工鉆石的市場迅速擴(kuò)大。而EDP公司的單晶金剛石作為晶種，需求驟增，成為了企業(yè)增長的“催化劑”。因此，2022年EDP成功上市，并獲得了可以保證半導(dǎo)體晶圓研發(fā)的資源基礎(chǔ)。

       由于全球經(jīng)濟(jì)情況直接影響用作飾品的金剛石市場，因此EDP公司近期的業(yè)績一直低迷。但是，中長期來看，考慮到發(fā)展中國家的環(huán)境保護(hù)問題、勞動者權(quán)利保護(hù)問題等因素，天然鉆石轉(zhuǎn)為人工鉆石這一趨勢是不會變化的，EDP公司作為半導(dǎo)體方向金剛石的支撐性企業(yè)，其地位會越來越重要。

       此外，Orbray株式會社（總部：日本東京都足立區(qū)，2023年1月更名為“Orbray”，中文名：奧比睿有限公司，以下簡稱為：“Orbray”）也在積極推進(jìn)金剛石材質(zhì)的晶圓業(yè)務(wù)?！癘rbray”研發(fā)了一種以藍(lán)寶石（Sapphire）為襯底，異質(zhì)外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產(chǎn)方法，如今已經(jīng)成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標(biāo)是未來生產(chǎn)出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導(dǎo)體應(yīng)用方向外，“Orbray”還在利用其它生長方法研發(fā)用于量子計算機(jī)的超高純度晶圓，并以實現(xiàn)商用為目標(biāo)。

       “Orbray”研發(fā)的2英寸金剛石晶圓。

       （圖片出自：電子Device產(chǎn)業(yè)新聞）

       半導(dǎo)體晶圓的研發(fā)工作、擴(kuò)充產(chǎn)能工作目前都處于發(fā)展階段，“與以往相比，現(xiàn)在更容易獲得用于研發(fā)的晶圓”（金剛石半導(dǎo)體研發(fā)技術(shù)員）。如今，如果某位研究員對研發(fā)型晶圓抱有興趣，即可輕松獲得實物，與以往相比，已有明顯的進(jìn)步。

       越來越多的單位在推進(jìn)金剛石半導(dǎo)體的實用化

       如今，已經(jīng)有越來越多的單位正在將金剛石半導(dǎo)體從研發(fā)階段推向?qū)嵱没Ｈ毡咀糍R大學(xué)的嘉數(shù)誠教授已經(jīng)對研發(fā)金剛石半導(dǎo)體研發(fā)了二十多年。大概五年前，嘉數(shù)誠教授了解到“Orbray”的金剛石晶圓，并認(rèn)識到可以用作研發(fā)，從此雙方開啟了共同研發(fā)之路。2022年5月，雙方利用2英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達(dá)2568V的半導(dǎo)體。就此次研發(fā)成果而言，作為金剛石半導(dǎo)體其性能首屈一指，而且，從半導(dǎo)體的性能來看，僅次于美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，簡稱為：“MIT”）利用氮化鎵（GaN）實現(xiàn)的成果。

       嘉數(shù)誠教授認(rèn)為，必須要把對半導(dǎo)體的驗證工作從研發(fā)階段推向?qū)嵱秒A段，并提出了五年內(nèi)研發(fā)出金剛石晶體管的目標(biāo)。此外，嘉數(shù)誠教授還在和封裝（Packaging）、鍵合（Bonding）等周邊技術(shù)相關(guān)的企業(yè)共同推進(jìn)研發(fā)，同時也在測定晶體管的壽命、以驗證其長期信賴性。此外，嘉數(shù)誠教授還計劃通過試做功率電子線路，以驗證其工作情況。

       此外，日本產(chǎn)總研也在有效利用其長期積累的“一條龍”式（從結(jié)晶生長、晶圓加工，到制成芯片）的技術(shù)經(jīng)驗，以推進(jìn)芯片的實用化。其目標(biāo)是利用大面積芯片（Chip）實現(xiàn)現(xiàn)有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時“兩手抓”。

       2022年8月，誕生了一家以“實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體實用化”為業(yè)務(wù)目標(biāo)的初創(chuàng)型企業(yè)，即日本早稻田大學(xué)下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標(biāo)是把金剛石半導(dǎo)體行業(yè)的先驅(qū)一一川原田洋教授的研發(fā)成果推向?qū)嵱没?/p>

       川原田教授曾利用金剛石半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)（氫終端表面），研發(fā)了金剛石場效應(yīng)晶體管（FET），并為業(yè)界熟知。川原田教授的研發(fā)成果成為了PDS公司的核心技術(shù)，但PDS公司還計劃與外部企業(yè)合作共同進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)，而不是單純的“閉門造車”。PDS計劃諸多企業(yè)（如晶圓廠家、功率半導(dǎo)體廠家、電氣設(shè)備廠家等）、大學(xué)、研發(fā)機(jī)構(gòu)合作，以實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體的實用化。PDS的目標(biāo)是構(gòu)筑一個從材料、芯片，到系統(tǒng)的完整生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)該司成為業(yè)界“主角”的目標(biāo)。

       嘉數(shù)誠教授研發(fā)的全球性能最高的金剛石半導(dǎo)體。

       （圖片出自：電子Device產(chǎn)業(yè)新聞）

       雖然PDS公司剛成立半年之余，已經(jīng)與日本國內(nèi)諸多大型企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)構(gòu)筑了良好的合作關(guān)系。并且計劃在數(shù)年內(nèi)發(fā)布試作品，然后在1年一一2年后研發(fā)功率電子線路相關(guān)的系統(tǒng)。

       能否與大企業(yè)合作是實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵所在

       針對金剛石半導(dǎo)體的實用化和潛力，PDS的首席執(zhí)行官(CEO)一一藤島辰也先生表示：“日本有很多企業(yè)在功率半導(dǎo)體、高頻元件等領(lǐng)域擁有豐富的生產(chǎn)實績”。接下來的任務(wù)是能否與大型企業(yè)展開合作。不過令人遺憾的是，從以往的研發(fā)過程來看，企業(yè)方面似乎不是很積極參與。有研究人員表示：“在學(xué)會等研發(fā)成果發(fā)布會現(xiàn)場，企業(yè)的工程師表現(xiàn)出了極大的興趣，但是這都與業(yè)務(wù)沒有直接聯(lián)系?！闭嬉獙嶋H實現(xiàn)商業(yè)化，至少還需要十年左右的時間，且研發(fā)成果也無法直接、迅速地帶來利潤，因此企業(yè)才一直猶豫不決。但是，僅靠大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)是無法實現(xiàn)真正的社會面應(yīng)用的。

       此外，海外企業(yè)的研發(fā)速度之外著實令筆者驚訝。在筆者的采訪中曾發(fā)現(xiàn)，針對日本研發(fā)人員的研發(fā)項目，臺灣地區(qū)、中國大陸地區(qū)企業(yè)研發(fā)人員提出了合作研發(fā)的申請。面對當(dāng)下嚴(yán)峻的地政學(xué)風(fēng)險，日本的研發(fā)人員應(yīng)該謹(jǐn)慎對待與海外的合作。不過，由于日本企業(yè)不愿意關(guān)注，借助海外企業(yè)的力量推進(jìn)研發(fā)也是不可避免的。

       與已經(jīng)實現(xiàn)實用化的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等半導(dǎo)體相比，金剛石半導(dǎo)體在社會面、國家層面的關(guān)心程度都不夠高。正是因為日本國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)家單位開始為推進(jìn)金剛石半導(dǎo)體的實用化而邁出關(guān)鍵的一步，作為政府和企業(yè)更應(yīng)該盡快行動。