金刚石功率半导体，电力损失为硅的5万分之1，期待用于人造卫星

利用被称为“终极功率半导体”的金刚石开发电力控制用半导体的研究正在推进之中。与新一代功率半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相比，金刚石对高电压的耐久性等更加优异，电力损失能减少到硅产品的五万分之一。其耐热及耐放射线的性能也很强，有望在2050年左右成为人造卫星等设备中不可缺少的部件。

金刚石的魅力在于其卓越的潜在能力。金刚石制半导体即使在硅制功率半导体约30倍的高电压下也不会被破坏，可以继续工作，散热性能为硅的10倍以上。理论上通过金刚石可实现功率效率比硅高5万倍的功率半导体器件。

但金刚石的难点在于作为电子材料难以处理加工。金刚石是所有材料中最坚硬的，由于无法用比金刚石更硬的材料进行加工，因此难以进行将基板表面加工至原子等级平坦度的精密加工。并且，混合磷和硼等材料，使其具有半导体性质的掺杂技术也没有确立。

挑战上述课题的是佐贺大学的嘉数诚教授。嘉数教授于2022年与精密零件制造商Orbray（东京·足立区）共同开发了金刚石制功率半导体，以875MW/cm2（M为100万）的电力使其工作。这是金刚石半导体中全球最高的输出功率，在半导体领域仅次于GaN的约2090MW/cm2的输出值。

为了使金刚石器件具有半导体性质，研究团队采用了在金刚石基板上喷射二氧化氮气体的方法。通过氧化铝膜的保护，实现了高性能的半导体器件。研究团队还通过特殊的研磨方法使基板表面平整，在减少电阻方面也下了不少功夫。

嘉数教授指出，虽然开发时使用了昂贵的人造金刚石，但“制作金刚石的成本伴随着技术的进步有可能大幅降低”。金刚石虽然在大家的印象中比较昂贵，但其构成元素与煤和石墨一样同为碳素，在地球上资源丰富。制造工序中也没有使用高价的气体等。

金刚石制半导体备受期待的用途是人造卫星通信设备。现有的半导体受放射线影响，容易发生被称为软误差的故障或劣化，因此卫星通信设备中使用的是真空管。

如果将半导体换成耐放射线的金刚石制半导体，则能在宇宙中有效使用供给受限的电力。在埃隆·马斯克率领的美国SpaceX卫星通信服务“星链”及宇宙数据中心等卫星通信方面的需求预计会扩大。另外，在地球上，金刚石制半导体也有可能成为支持下一代通信规格“6G”及量子计算机的技术。

嘉数教授表示“今后会将研究重心转移到应用上，希望5年内提供试制品”。目前，早稻田大学的创新公司Power Diamond Systems（东京·新宿区）开始着手金刚石制半导体的开发。通过将研究主体从大学逐步转为企业，有望在2040年左右实现金刚石制半导体的实际应用。

大口径化不可缺少

嘉数教授等人之所以能够实现高性能的金刚石制半导体，其主要背景在于金刚石基板（晶圆）实现了2英寸（约50mm）的大口径化。晶片由Orbray公司制作。虽然以往的晶片基板上也会使用金刚石，但本次确立了易于大口径化的应用蓝宝石的技术。

尽管如此，与300mm硅晶圆及150～200mm SiC晶圆相比，金刚石半导体在晶圆的大口径方面还落后于其他材料。因此器件的批量生产需要进一步技术创新，以实现晶圆的大口径化及低成本化。

金刚石在耐压和耐热性等性能方面优于SiC和GaN，甚至还优于被视为“下一代SiC”的氧化镓得潜在能力。理论上讲，金刚石的功耗是SiC的八十分之一，GaN的十分之一或更少。

与由SiC、GaN等多种元素构成的半导体不同，金刚石由单一元素构成，因此不用在意元素混合比例这一点也是其优势，就可以集中精力提高基板结晶的纯度等。

半导体是涉及材料、设备及系统厂家的大产业。构建金刚石制半导体的供应链也将成为重要的课题。

来源：JST客观日本编辑部