利用被稱為「終極功率半導體」的金剛石開發電力控制用半導體的研究正在推進之中。與新一代功率半導體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）相比，金剛石對高電壓的耐久性等更加優異，電力損失能減少到硅產品的五萬分之一。其耐熱及耐放射線的性能也很強，有望在2050年左右成為人造衛星等設備中不可缺少的部件。
金剛石製半導體具備優異的高電壓耐久性及耐熱性
金剛石的魅力在於其卓越的潛在能力。金剛石製半導體即使在硅製功率半導體約30倍的高電壓下也不會被破壞，可以繼續工作，熱放射性能為硅的10倍以上。理論上通過金剛石可實現功率效率比硅高5萬倍的功率半導體元件。
但金剛石的難點在於作為電子材料難以處理加工。金剛石是所有材料中最堅硬的，由於無法用比金剛石更硬的材料進行加工，因此難以進行將基底層表面加工至原子等級平坦度的精密加工。並且，混合磷和硼等材料，使其具有半導體性質的摻雜技術也沒有確立。
挑戰上述課題的是佐賀大學的嘉數誠教授。嘉數教授於2022年與精密零件製造商Orbray（東京·足立區）共同開發了金剛石製功率半導體，以875MW/cm2（M為100萬）的電力使其工作。這是金剛石半導體中全球最高的輸出功率，在半導體領域僅次於GaN的約2090MW/cm2的輸出值。
為了使金剛石器件具有半導體性質，研究團隊採用了在金剛石基底層上噴射二氧化氮氣體的方法。通過氧化鋁膜的保護，實現了高性能的半導體元件。研究團隊還通過特殊的研磨方法使基底層表面平整，在減少電阻方面也下了不少功夫。
嘉數教授指出，雖然開發時使用了昂貴的人造金剛石，但「製作金剛石的成本伴隨著技術的進步有可能大幅降低」。金剛石雖然在大家的印象中比較昂貴，但其構成元素與煤和石墨一樣同為碳素，在地球上資源豐富。製造工序中也沒有使用高價的氣體等。
金剛石製半導體備受期待的用途是人造衛星通信設備。現有的半導體受放射線影響，容易發生被稱為軟誤差的故障或劣化，因此衛星通信設備中使用的是真空管。
如果將半導體換成耐放射線的金剛石製半導體，則能在宇宙中有效使用供給受限的電力。在埃隆·馬斯克率領的美國SpaceX衛星通信服務「星鏈」及宇宙數據中心等衛星通信方面的需求預計會擴大。另外，在地球上，金剛石製半導體也有可能成為支持下一代通信規格「6G」及量子計算機的技術。
嘉數教授表示「今後會將研究重心轉移到應用上，希望5年内提供試製品」。目前，早稻田大學的創新公司Power Diamond Systems（東京·新宿區）開始著手金剛石製半導體的開發。通過將研究主體從大學逐步轉為企業，有望在2040年左右實現金剛石製半導體的實際應用。
大口徑化不可缺少
嘉數教授等人之所以能夠實現高性能的金剛石製半導體，其主要背景在於金剛石基底層（晶圓）實現了2英吋（約50mm）的大口徑化。晶片由Orbray公司製作。雖然以往的晶軟片基體板上也會使用金剛石，但本次確立了易於大口徑化的應用藍寶石的技術。
儘管如此，與300mm硅晶圓及150～200mm SiC晶圓相比，金剛石半導體在晶圓的大口徑方面還落後於其他材料。因此器件的批量生產需要進一步技術創新，以實現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於SiC和GaN，甚至還優於被視為「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等多種元素構成的半導體不同，金剛石由單一元素構成，因此不用在意元素混合比例這一點也是其優勢，就可以集中精力提高基底層結晶的純度等。
半導體是涉及材料、設備及系統廠家的大產業。構建金剛石製半導體的供應鏈也將成為重要的課題。
日文：大越優樹、《日經產業新聞》、2023/1/6
中文：JST客觀日本編輯部
