金剛石半導(dǎo)體，全球首創(chuàng)

以佐賀大學(xué)理工學(xué)部教授加須誠(chéng)（半導(dǎo)體工學(xué)）為首的研究小組，在世界上首次成功開發(fā)出使用金剛石的半導(dǎo)體電源電路。證明了迄今為止被認(rèn)為困難的高速開關(guān)和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是可能的。如果該電源電路能夠投入實(shí)際使用，有望應(yīng)用于下一代通信標(biāo)準(zhǔn)“6G”、量子計(jì)算機(jī)等最新技術(shù)。

與傳統(tǒng)上用于半導(dǎo)體的硅和其他材料相比，金剛石可以承受更高的電壓，可以以更高的速度和頻率運(yùn)行，并且可以用于外層空間等高輻射環(huán)境。金剛石半導(dǎo)體作為下一代功率半導(dǎo)體的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

但是，要將由碳制成的金剛石制成半導(dǎo)體，添加稱為“摻雜”的雜質(zhì)的技術(shù)和稱為“鈍化”的施加保護(hù)膜的技術(shù)是困難的。雖然海外的許多努力都失敗了，但 Kakazu 教授的小組建立了一種將二氧化氮添加到金剛石中的技術(shù)，并且還發(fā)現(xiàn)了一種使用獨(dú)特的 ALD（原子層沉積）設(shè)備使用真空來涂敷氧化鋁薄膜的方法。。成功穩(wěn)定生產(chǎn)金剛石半導(dǎo)體器件，并在2022年公布了世界最高輸出功率（875MW/cm2）和輸出電壓（3659V）。

顯示半導(dǎo)體中使用的物質(zhì)特性的表格。可見金剛石在半導(dǎo)體中的物理性能優(yōu)于硅和氮化鎵（佐賀大學(xué)提供）

Kakazu教授（左）開發(fā)的金剛石半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。摻雜技術(shù)特別困難（佐賀大學(xué)提供）

為實(shí)際使用而制作的電路，

電線通過少量焊接拉伸

有人指出，當(dāng)金剛石半導(dǎo)體用作電源電路時(shí)，元件會(huì)迅速劣化并且難以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。Kakazu 教授的團(tuán)隊(duì)著手創(chuàng)建一個(gè)考慮到實(shí)際應(yīng)用的電源電路。由于金剛石與電極金屬的附著力弱的特性，布置起來極其困難，但是通過控制金線的張力來連接金剛石半導(dǎo)體器件的電極和外部印刷電路板的方法作為實(shí)用電路開發(fā)并成功運(yùn)行。這使得測(cè)量實(shí)際使用所需的開關(guān)特性和壽命成為可能。

開關(guān)是一種電子和空穴流過半導(dǎo)體的操作，在施加電壓時(shí)導(dǎo)致電流流動(dòng)（開啟）或阻止電流（關(guān)閉）。改善開關(guān)特性取決于電子和空穴開始流動(dòng)所需的時(shí)間有多短以及流動(dòng)的電子和空穴從半導(dǎo)體內(nèi)部提取所需的時(shí)間。在測(cè)量開關(guān)特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)是10納秒（1納秒是十億分之一秒）和100兆赫茲，比傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體更快。我們認(rèn)為這是由于金剛石具有較小的電容。這表明金剛石電源電路具有低能量損耗和高效率。

在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地開啟/關(guān)閉開關(guān)可以更有效地利用能源。在 Kakazu 教授的電路中，兩者都不到 10 納秒

此外，當(dāng)運(yùn)行金剛石電源電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使連續(xù)運(yùn)行超過190小時(shí)，它也沒有劣化。由于即使在 190 小時(shí)后也沒有看到任何劣化，我們認(rèn)為可以運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，我們計(jì)劃挑戰(zhàn)我們可以移動(dòng)到多遠(yuǎn)。

雖然離實(shí)際使用還有很遠(yuǎn)的距離，但已確認(rèn)即使在 190 小時(shí)后仍能繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)劣化。一般需要運(yùn)行100萬小時(shí)才能實(shí)際使用

隨著金剛石半導(dǎo)體功率電路的開關(guān)和長(zhǎng)時(shí)間工作特性的展示，有望在實(shí)際應(yīng)用的研發(fā)方面取得進(jìn)展。佐賀大學(xué)憑借金剛石半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)世界最高輸出功率和輸出電壓等成就，被半導(dǎo)體行業(yè)報(bào)紙電子設(shè)備行業(yè)報(bào)紙?jiān)u選為“2023年度半導(dǎo)體”。在5月31日于東京舉行的頒獎(jiǎng)典禮上，Kakazu教授表示，“我們希望通過產(chǎn)學(xué)合作，盡快讓這項(xiàng)技術(shù)走上商業(yè)化的道路?！?Kakazu 教授表示，目前還沒有決定在哪個(gè)領(lǐng)域最好將其商業(yè)化，因?yàn)樗梢杂糜谠S多地方，例如太空、下一代通信、電動(dòng)汽車和高輻射環(huán)境。

該系列研究已申請(qǐng)專利。該研究是在日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的科學(xué)研究資助下進(jìn)行的，兩篇論文發(fā)表在日本電氣和電子工程師學(xué)會(huì)電子設(shè)備快報(bào)5月和6月號(hào)上美國(guó)。佐賀大學(xué)分別于4月17日和5月25日公布了結(jié)果。