专访14 金刚石半导体，实际应用指日可待|产品信息|日本日本株式会社

采访 14

国立大学法人佐贺大学
科学与工程学院、科学与工程系、电气与电子工程系
加一诚教授

金刚石半导体作为功率半导体和高频器件而备受关注，但最近出现的一系列动向表明它们正在超越基础研究阶段，走向实际应用。我们向致力于推动金刚石半导体实际应用的佐贺大学Makoto Kakazu教授询问了他过去的研究和旨在实际应用的项目。

满足电动汽车及超越 5G 需求的半导体

Kakazu 教授对金刚石半导体的研究开始涉及到他周围的人。

2023年12月，该公司宣布将与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和吴国立技术学院（Kure National College of Technology）一起开始开发用于太空通信的微波功率放大装置。该公司的目标是通过将其安装在微型卫星上来进行太空演示。该公告发布大约一年后，我们与伊藤忠科技解决方案 (CTC) 合作开展旨在实现金刚石半导体社会化的研究（2025 年 1 月）。
Kakazu 教授进一步加速了他的努力，成立了一家新公司 Diamond Semiconductor。该公司计划在 2026 年底之前发货金刚石半导体样品。

金刚石半导体之所以受到关注，首先是因为其具有远远超过硅（Si）的各种潜力，有望用于硅难以使用的领域。

例如，对电动汽车（EV）等中控制功率的功率半导体的需求不断增长，但一方面要求它们具有高介电击穿场强，另一方面允许电流在载流子（自由电子或空穴）存在的区域中轻松流动。金刚石半导体的介电击穿场强是硅的33倍，在载流子存在的区域可以流过大电流。在显示功率半导体性能的指标（Variga 品质因数）方面，它显示出比硅更高的值，以及有望用作下一代功率半导体的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

	硅	碳化硅	氮化镓	钻石	钻石半导体的特性
带隙	1	2.9	3.0	4.9	工作温度提高 5 倍
电介质击穿电场强度	1	9.3	16.6	33	工作电压高 33 倍
导热系数	1	3.8	1.2	17	17倍散热。无温升
巴里加性能指数	1	580	3,800	49,000	高效器件特性，功率提高 50,000 倍
约翰逊品质因数	1	420	1,100	1,225	6G 的 1,200 倍高速功率器件特性

金刚石半导体的物理特性（材料由Kakazu教授提供）

它还具有很高的高频设备适用性指数（约翰逊品质因数）。因此，预计将用于“Beyond 5G(*1)”移动基站。金刚石半导体还具有抗辐射能力，使其在太空环境中的通信应用中具有广阔的前景。

金刚石半导体的研究自20世纪80年代初以来一直很活跃，因此可以说是一个相对较新的研究领域。其推动力是日本金刚石薄膜外延生长（*2）的成功。这是通过微波等离子体化学气相沉积 (MPCVD) 实现的，该技术涉及在等离子体中使由甲烷和氢气组成的原料气体发生反应。在此之前，通常通过施加高压（约 50,000 个大气压）模拟天然钻石的生长来制造人造钻石，但现在可以在较低压力（例如 01 个大气压）下制造人造钻石。当时的国立无机材料研究所（现在的国立材料科学研究所）发现并发表了这种方法，日本国内外的许多研究人员开始研究金刚石。

*1 下一代（6G）信息和通信基础设施，进一步增强第五代移动通信系统的性能。预计2030年左右投入实际使用

*2 在单晶基板上生长新的单晶薄膜的技术。当下面的衬底晶体和待生长的晶体具有相同的晶格常数时，称为同质外延生长，当它们不同时，称为异质外延生长。金刚石半导体大多采用异质外延生长

只在早上和晚上通电的设备

当 Kakazu 教授开始在日本电报电话 (NTT) 材料科学研究所研究金刚石半导体时，他心存疑虑。当通过 MPCVD 生长的金刚石薄膜 (*3) 放置在空气中时，有时会导电，但具体原因尚不清楚。理论有很多种，其中一种理论认为它是由水和二氧化碳（空气中）引起的，甚至发表在海外著名科学杂志上。然而，即使当卡卡祖教授将其浸入水中并向其吹气时，它也不会按预期打开。到底是什么原因呢？

“你必须自己去发现。”考虑到这个想法，Kakazu 教授决定使用氮气 (N₂), 氧 (O₂)、二氧化碳 (CO₂) 和氩气 (Ar)。但它们都没有打开。

我注意到一些奇怪的读数。当我们给钻石施加电压检查是否带电并放置一周多时，我们发现上午 9 点左右和下午 5 点左右有大电流流过。周一至周五 9:00 和 5:00 定期发车。而且周六和周日不播出。到底是什么？

下午 3 点。此时正是研究所规定的下午茶时间。其他部门的研究人员也成群结队而来，带来了茶和咖啡。所以我决定谈谈“朝九晚五现象”。大家会怎么说呢？ “那是二氧化氮 (NO)₂)。”化学系的一位女士向我指出了这一点。

否₂是汽车尾气中含有的一种气体，因此其浓度在通勤时间会增加。有人指出，这种变化与金刚石中电流的变化类似。如果是通勤车造成的，那也与周六周日不通电的情况相符。不立即₂并进行了实验。就在这时，一道电流流过。

之后，我寻找了一种具有相同效果的气体，发现臭氧（O₃)、二氧化硫 (SO₂)，发现一氧化氮(NO)也可以导电(*4)。人们认为这些气体粘附在表面，电子从氢末端移动到气体分子，在金刚石表面产生载流子。我们还实验了通过改变气体的类型和浓度来改变形成的载流子的密度。

*3 更准确地说，它是一种金刚石薄膜，即使在甲烷消失后，它仍暴露在氢等离子体气氛中约30分钟，从而将氢键合到其表面。称为氢封端金刚石

*4O₃以外的气体是汽车尾气中所含的气体，O₃汽车尾气中所含的NOx和HC在阳光紫外线照射下发生光化学反应而产生。换句话说，这四种气体都来自汽车尾气。

如上所述，载流子存在的区域对于作为半导体器件的操作是必要的，但目前在金刚石半导体中产生载流子的基本方法是终端处理（将氢等其他原子键合到金刚石膜的表面的处理），特别是使用氢的终端处理据说是目前最有希望实用化的方法。这是金刚石独有的载流子生成方法，其他半导体中没有使用。

“他们说当它与大气接触时就会充满能量，但是是什么原因导致的呢？”通过直面他开始研究时遇到的问题，Kakazu 教授能够阐明有效诱导载流子的无机分子的类型和浓度的数据。这也提供了有利于促进实际应用的技术诀窍。

实现功率和电压的世界最高值

自 2021 年左右以来，针对实际应用的研究成果数量显着增加。首先，他们设计了一种具有新结构的场效应晶体管 (FET)。该结构不易劣化，延长了器件寿命，并将输出功率提高到了当时的最高水平179MW/cm。²（2021 年 4 月）。我们将在六个月内更新这些记录。硅片直径2英寸，输出功率345MW/cm²（2021 年 9 月）。

明年输出功率875MW/cm²记录下来，输出电压达到2586V（2022年5月）。这些数值是世界上钻石的最高数值（*5）。该论文发表在电气和电子工程师协会 (IEEE) 的《Electron Device Letters》杂志上，并作为专题论文登上封面。为了表彰这一成就，该公司荣获“2023年度半导体”（由《产业时报》《电子器件工业报》主办）的半导体器件类别优秀奖。

2023 年，我们创建了包含金刚石半导体的电源电路并验证了其运行。开关操作速度快，小于 10 ns，动态特性没有问题（2023 年 4 月）。还进行了连续运行测试。即使190小时后也没有特性劣化。这些旨在实际应用的努力可能导致了开头提到的让我们周围的人参与的运动。

*5 截至 2025 年 4 月，该记录仍然是世界最高记录

引进电子束光刻设备和扫描电子显微镜开发集成电路

2024 年 4 月，Kakazu 教授推出了一种昂贵的设备。这是电子束绘图装置。当然，它是为了制造集成电路（IC）。 Kakazu教授的金刚石研究已进入制造IC的阶段。具体来说，我们设想开发一种用于空间通信的微波功率放大装置，如开头提到的。

我购买的电子束光刻系统是JEOL的“JBX-8100FS”。起初，有其他公司提供价格较低的产品，但 Kakazu 教授拒绝了这些报价，他认为“购买设备就意味着购买技术”。电子束光刻设备是由缺乏操作经验的研究人员使用的。一个产品除非具有易于理解的可操作性、可靠性以及强大的技术支持，否则不可能快速开发出来。我们的联合研究伙伴日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）也欣然同意将大部分预算分配给电子束光刻系统。