什么是金刚石半导体？
什么是金刚石半导体？
2025/03/19
金刚石半导体
？
–有望商业化的终极半导体–
用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因
什么是金刚石半导体？
金刚石半导体是由人造金刚石制成的半导体。与目前主流的硅半导体相比，它们具有许多优越的性能，例如能够在高温和高压下工作，即使在高辐射剂量的环境下也不会失去半导体特性，并且在使用过程中产生的热量更少，散热效果更好。因此，它作为“终极半导体”而受到关注。
金刚石半导体有望用于无线通信以及作为可在高辐射环境下使用的模拟半导体，作为“终极半导体”而备受期待。除了用作模拟半导体之外，随着人工智能和电动汽车的普及而对电力的需求增加，它也有望被用作可以处理大电流和功率的新型功率半导体。既然金刚石半导体的商业化和量产的努力已经变得活跃，那么金刚石半导体为何受到关注呢？我们向先进电力电子研究中心新功能器件团队高级首席研究员Hitoshi Umezawa和正在进行商业化研发的Okuma Diamond Device Co, Ltd代表董事Naohisa Hoshikawa询问了目前的开发状况。
什么是金刚石半导体
当您想到钻石时，您会想到闪亮的高品质宝石，但由于其硬度，它们也用于工业应用，例如钻石切割机。工业上使用的钻石并不是稀有的天然钻石，而是人工合成的钻石。金刚石由碳制成，具有优异的电性能和硬度。金刚石具有在某些条件下导电而在其他条件下不导电的特性，使其成为很有前途的金刚石半导体材料。
半导体有多种类型。处理0和1信息的半导体，例如智能手机和PC中使用的CPU和存储器，主要由硅制成，是“逻辑半导体”。 （AIST 杂志“什么是逻辑半导体？」）
金刚石半导体（金刚石半导体）有望作为极端环境下使用的“模拟半导体”应用于太空开发和高辐射剂量的环境中。模拟半导体是指具有低噪声地放大来自传感器的微小信号等功能的半导体。它还有望发挥作为通信用射频半导体的作用，比现有半导体实现更高频率和更高输出，以及作为可以处理更大电流的“功率半导体”。由于它的性能比其他半导体材料好几个数量级，因此有望成为“终极半导体”。 （AIST 杂志“功率半导体（什么是功率器件）？」）
半导体类型和主要衬底材料
| |
基本功能 |
主要基材材料 |
| 逻辑半导体 |
执行高级逻辑运算 |
硅 (Si) |
| 模拟半导体 |
以低噪声放大信号 |
硅 (Si)、碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN)、金刚石 (C) |
| 功率半导体 |
处理电力转换 |
硅 (Si)、碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN)、金刚石 (C) |
为什么金刚石半导体被称为“终极”半导体？元素周期表第14族附近的元素表现出半导体的电特性，通常用作半导体的基板材料。回顾半导体发展史，我们看到从元素周期表第四周期到第二周期，依次是锗、然后是硅被实用化，即较轻的元素逐渐实用化。目前，被称为下一代半导体的氮化镓（GaN）半导体和碳化硅（SiC）半导体已经作为功率半导体实现了商品化。
周期表第14族周围的原子和已投入实际应用的半导体衬底材料。第14族没有第一周期元素，因此金刚石半导体也被称为“终极半导体”。
下一代半导体各有不同的长处，但金刚石半导体具有优异的高频、大功率性能，高效节能，使用过程中产生的热量较少，散热性能优异。由于其特性，冷却半导体本身所需的电力和设备量需要降至最低，从而可以缩小整个设备的尺寸并节省电力。此外，由于它能够抵抗高低温和辐射等极端环境，因此在核电站和辐射盛行的太空环境等恶劣环境下，或许能够实现优异的性能和节能性。利用金刚石半导体的这些特性，预计它们将应用于电动汽车和下一代通信基站（6G）等多种产品中。
金刚石半导体与已经投入实际应用的各种半导体相比具有优越的性能
金刚石半导体技术现状
日本在金刚石半导体研究方面处于世界领先地位。 20世纪80年代，茨城县筑波市的无机材料研究所（现国立材料科学研究所）发明了气相合成法（CVD法），可以高再现性合成人造金刚石。凭借这项发明，金刚石半导体的研究取得了实质性进展，日本研究人员此后不断发表世界领先的成果。尽管金刚石半导体应用于实际产品的例子很少，但日本在旨在实际应用和大规模生产的研究方面也处于领先地位。
例如，预计将用作福岛第一核电站退役工作所需的中子探测器的金刚石半导体器件是北海道大学和日本产业技术研究院共同创办的一家初创公司。大隈金刚石设备有限公司是世界上第一个开发这个的。这种金刚石半导体装置预计不仅可用于退役目的，还可用于提高现有核电站的安全性。该公司还宣布，计划于 2025 年开始建设大规模生产该器件的工厂。该工厂将成为世界上第一个商业化的金刚石半导体大规模生产设施。日本对核退役有着特殊的需求，国家研究机构、大学和私营企业正在共同努力推进研究和开发。从该项目中获得的知识可能会用于其他应用的金刚石半导体。
AIST 的金刚石半导体研究
AIST 正在进行与金刚石半导体相关的各种研究。正在研究制造高质量、大型人造金刚石晶体基底的方法和制造设备，以及提高金刚石半导体晶片质量的研究。使用新开发的晶体基板创建高性能半导体器件的研究也在进行中。 (2019/03/20 新闻稿）
除了之前介绍的Okuma Diamond Device Co, Ltd之外，AIST还成立了多家与金刚石半导体技术相关的风险投资公司。 AIST技术转让企业已实现IPO（首次公开募股）EDP有限公司的强项是制造板状人造钻石单晶的技术。另外，来自AIST九州中心扩展有限公司正在开发使用钻石传感器和薄膜沉积设备的服务。
金刚石半导体的前景
近年来，随着私营公司的进入，其在航天工业中的应用以及作为无线通信和核退役的模拟半导体的应用的期望不断提高。此外，我们需要下一代模拟和功率半导体，它们将成为支持能源行业的基础，能源行业随着生成式人工智能和自动驾驶等技术的进步而不断扩展。面向这个未来，我们认为必须进一步加快实用金刚石半导体技术的开发。如果您对金刚石半导体的研发感兴趣，请联系我们。