用被稱為“終極功率半導(dǎo)體”的金剛石開發(fā)電力控制用半導(dǎo)體的研究正在推進(jìn)之中。與新一代功率半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相比，金剛石對(duì)高電壓的耐久性等更加優(yōu)異，電力損失能減少到硅產(chǎn)品的五萬(wàn)分之一。其耐熱及耐放射線的性能也很強(qiáng)，有望在2050年左右成為人造衛(wèi)星等設(shè)備中不可缺少的部件。

       金剛石制半導(dǎo)體具備優(yōu)異的高電壓耐久性及耐熱性

       金剛石金剛石的魅力在于其卓越的潛在能力。金剛石制半導(dǎo)體即使在硅制功率半導(dǎo)體約30倍的高電壓下也不會(huì)被破壞，可以繼續(xù)工作，散熱性能為硅的10倍以上。理論上通過(guò)金剛石可實(shí)現(xiàn)功率效率比硅高5萬(wàn)倍的功率半導(dǎo)體器件。

       但金剛石的難點(diǎn)在于作為電子材料難以處理加工。金剛石是所有材料中最堅(jiān)硬的，由于無(wú)法用比金剛石更硬的材料進(jìn)行加工，因此難以進(jìn)行將基板表面加工至原子等級(jí)平坦度的精密加工。并且，混合磷和硼等材料，使其具有半導(dǎo)體性質(zhì)的摻雜技術(shù)也沒有確立。

       挑戰(zhàn)上述課題的是佐賀大學(xué)的嘉數(shù)誠(chéng)教授。嘉數(shù)教授于2022年與精密零件制造商Orbray（東京·足立區(qū)）共同開發(fā)了金剛石制功率半導(dǎo)體，以875MW/cm2（M為100萬(wàn)）的電力使其工作。這是金剛石半導(dǎo)體中全球最高的輸出功率，在半導(dǎo)體領(lǐng)域僅次于GaN的約2090MW/cm2的輸出值。

       為了使金剛石器件具有半導(dǎo)體性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)采用了在金剛石基板上噴射二氧化氮?dú)怏w的方法。通過(guò)氧化鋁膜的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了高性能的半導(dǎo)體器件。研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)特殊的研磨方法使基板表面平整，在減少電阻方面也下了不少功夫。

       嘉數(shù)教授指出，雖然開發(fā)時(shí)使用了昂貴的人造金剛石，但“制作金剛石的成本伴隨著技術(shù)的進(jìn)步有可能大幅降低”。金剛石雖然在大家的印象中比較昂貴，但其構(gòu)成元素與煤和石墨一樣同為碳素，在地球上資源豐富。制造工序中也沒有使用高價(jià)的氣體等。

       金剛石制半導(dǎo)體備受期待的用途是人造衛(wèi)星通信設(shè)備?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體受放射線影響，容易發(fā)生被稱為軟誤差的故障或劣化，因此衛(wèi)星通信設(shè)備中使用的是真空管。

       如果將半導(dǎo)體換成耐放射線的金剛石制半導(dǎo)體，則能在宇宙中有效使用供給受限的電力。在埃隆·馬斯克率領(lǐng)的美國(guó)SpaceX衛(wèi)星通信服務(wù)“星鏈”及宇宙數(shù)據(jù)中心等衛(wèi)星通信方面的需求預(yù)計(jì)會(huì)擴(kuò)大。另外，在地球上，金剛石制半導(dǎo)體也有可能成為支持下一代通信規(guī)格“6G”及量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)。

       嘉數(shù)教授表示“今后會(huì)將研究重心轉(zhuǎn)移到應(yīng)用上，希望5年內(nèi)提供試制品”。目前，早稻田大學(xué)的創(chuàng)新公司Power Diamond Systems（東京·新宿區(qū)）開始著手金剛石制半導(dǎo)體的開發(fā)。通過(guò)將研究主體從大學(xué)逐步轉(zhuǎn)為企業(yè)，有望在2040年左右實(shí)現(xiàn)金剛石制半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用。
       大口徑化不可缺少

       嘉數(shù)教授等人之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的金剛石制半導(dǎo)體，其主要背景在于金剛石基板（晶圓）實(shí)現(xiàn)了2英寸（約50mm）的大口徑化。晶片由Orbray公司制作。雖然以往的晶片基板上也會(huì)使用金剛石，但本次確立了易于大口徑化的應(yīng)用藍(lán)寶石的技術(shù)。
盡管如此，與300mm硅晶圓及150～200mm SiC晶圓相比，金剛石半導(dǎo)體在晶圓的大口徑方面還落后于其他材料。因此器件的批量生產(chǎn)需要進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)晶圓的大口徑化及低成本化。
金剛石在耐壓和耐熱性等性能方面優(yōu)于SiC和GaN，甚至還優(yōu)于被視為“下一代SiC”的氧化鎵得潛在能力。理論上講，金剛石的功耗是SiC的八十分之一，GaN的十分之一或更少。

       與由SiC、GaN等多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體不同，金剛石由單一元素構(gòu)成，因此不用在意元素混合比例這一點(diǎn)也是其優(yōu)勢(shì)，就可以集中精力提高基板結(jié)晶的純度等。

       半導(dǎo)體是涉及材料、設(shè)備及系統(tǒng)廠家的大產(chǎn)業(yè)。構(gòu)建金剛石制半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈也將成為重要的課題。