米乐m6官方网站 (AIST) 钻石研究中心（主任 Naoji Fujimori）（所长：Hiroyuki Yoshikawa）器件开发团队的 Shinichi Shikata（钻石研究中心副主任兼负责人）和 Hitoshi Umezawa（研究科学家）开发了使用钌 (Ru) 和金刚石的功率器件整流二极管。可在超过 400°C 的高温下长期运行。

金刚石是一种优质材料，具有硬度、导热性、宽波长范围内的光学透明度和化学稳定性。 ​ 作为半导体材料，具有优异的介电击穿和迁移率。 ​ 预期的优点不仅限于机械应用；我们还设想了光学部件、电化学和半导体器件的应用。 ​ 特别是，如果应用于半导体功率控制器件，将以与高电压和高电流密度相关的高温非冷却器件的形式实现高性能。

在这项研究中，通过实验制造了作为功率器件基本元件的整流二极管，并证明了其在高温下的长期稳定性。​迄今为止，人们普遍认为肖特基二极管的电极无法承受长时间的高温工作。在我们探索的肖特基电极材料中，Ru 在解决热稳定性、低电阻、良好粘附性和肖特基结可行性这四个挑战方面表现出色。在高温下也很稳定。使用钌作为肖特基电极和金刚石作为衬底，实验性地制造了新的整流二极管。通过400°C 1,500小时和500°C 250小时的运行测试，证实该器件没有退化。在自加热温度（例如 200 至 250°C）下，测试数据表明这些设备无需冷却即可运行数十年。如果将来引入这项技术，节能非冷却功率设备将成为可能。本研究结果将于 2009 年 1 月 9 日在日本应用物理学会《应用物理快报》在线发表：http://wwwjsaporjp/publish/apex/indexhtml.

半导体功率器件对于电气设备的功率控制至关重要；随着逆变器的普及，它们是节能技术的基础。现在大电流运行最近已经成为可能，这些设备正在迅速寻找新的应用，包括混合动力汽车的电机驱动单元。据悉，目前市场规模约为2万亿日元。迫切需要创新，通过开发先进的功率器件技术来降低电力消耗；该问题已列入经济产业省大幅减少二氧化碳的“Cool Earth - 创新能源技术计划”₂排放。

如今，硅 (Si) 专门用于功率器件，但该材料在热稳定性、高压操作、功率损耗和电流密度方面存在固有问题。为了解决这些问题，目前正在开发碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新材料。金刚石是另一种有前途的材料，具有特定的特性：它本身就是最著名的散热材料，可以承受高温，并且具有在较高温度下电流更大的显着特征。​对于功率器件的应用，这些强大的优点使金刚石成为实现具有高电压、大电流能力的高温非冷却器件的有前途的材料。

日本产业技术研究院钻石研究中心正在探索充分利用金刚石的半导体特性及其优越性能的可能性，其中包括优异的硬度、导热性、弹性模量、光学透明度、化学稳定性和电化学性能。作为材料技术的一部分，大尺寸金刚石单晶的制造技术也在不断发展（AIST 新闻稿，2007 年 3 月 20 日）。目前正在研究金刚石在功率器件、各种类型的器件和材料中的利用。

本研究旨在开发大电流、高温、非冷却操作的肖特基整流二极管。​到目前为止，铝（Al）、金（Au）、钼（Mo）和铂（Pt）等金属以及碳化钨（WC）复合材料已被广泛用于与金刚石形成肖特基结。​尽管与其他金属相比，Pt肖特基结具有良好的热稳定性，但由于不可避免的界面剥离，不太可能被使用。 WC的热稳定性尚未得到充分检验，但据报道，在500°C时，器件特性可在3小时内发生变化。 WC 的其他缺点是其电阻率比其他金属大一个数量级以上，并且还需要金等金属用于接线。

图1显示了制作的整流二极管的外观和展开部分的横截面示意图。​在金刚石基板上堆叠有源层，然后在其上形成欧姆电极和肖特基电极。​欧姆电极由耐热的 Ti/Mo/Au 三重金属层制成。

在这项研究中，研究了各种金属作为肖特基电极材料的候选材料，以实现高温操作。​对于具有优异导电性和导热性的金属，通过肖特基结检查了各种特性，包括粘合强度和热稳定性。​请注意，目前还没有报道过在导热性、导电性、粘合性和肖特基结特性方面具有优异性能的金属。不用说，高温下的界面不应引起任何降解。​这项研究首次表明钌 (Ru) 满足所有标准，并演示了使用钌和金刚石制造二极管。

图 1 肖托基势垒二极管概述及横截面示意图（右）。 （2 x 2mm 设备芯片由圆圈表示。）

使用钌作为肖特基电极的二极管在400°C 1,500小时和500°C 250小时的高温存储测试后没有表现出退化（图2）。​详细研究了肖特基结的各种特性，在 400°C 下运行 1,500 小时后未观察到特性变化。​在自加热温度（例如 200 至 250°C）下，数据表明该设备无需冷却即可运行数十年。​这表明有可能减少冷却所消耗的电力，这在功率设备中被认为是不可避免的。

图2 Ru/金刚石肖特基势垒二极管在400°C储存1500小时后的IV特性

为了实际应用于功率器件，金刚石器件的面积必须达到1厘米²或更多，以便处理大电流。​为了实现这一目标，我们将致力于大面积衬底制造技术、高质量外延薄膜生长技术以及器件设计技术。​虽然目前的研究重点是肖特基二极管的开发，但我们还将追求可用作无需冷却的节能功率器件的晶体管器件。