建造世界上第一座金刚石半导体工厂

建设世界上第一座金刚石半导体工厂

2025/03/26

建设世界上第一座金刚石半导体工厂Okuma Diamond Device 挑战新市场

Okuma Diamond Device Co, Ltd 是北海道大学和日本产业技术研究院 (AIST) 共同创办的初创公司。成立于 2022 年，旨在将可用于福岛第一核电站退役工作的金刚石半导体商业化我做到了。自成立以来的两年半时间里，我们已筹集了超过 67 亿日元。世界上第一座金刚石半导体工厂将于 2025 年在福岛县大隈町建成金刚石半导体可以成为下一代行业的基础设施，从退役开始，包括卫星通信和通信基站

仅在日本发现对金刚石半导体的特殊需求

　金刚石半导体具有其他半导体材料所没有的优异特性，例如能够处理高频和高功率、高能效、发热量小、散热良好等。此外，它可以承受辐射环境和高温下的使用。这种材料的一个特点是，即使在其他半导体材料会被破坏的恶劣环境下，它也不会失去作为半导体的功能。 （AIST 杂志“什么是金刚石半导体？」）

　十一年前的 2013 年，北海道大学副教授金子淳一（Junichi Kaneko）找到了日本产业技术研究院（AIST）首席研究员梅泽仁（现任高级首席科学家），后者当时正在开发可在核反应堆内部使用的电子设备。

　我想创建一种可以在高温和高辐射剂量的核反应堆内使用的电子电路。硅半导体毫无用处，因为它们会在短短几分钟内分解。使用金刚石半导体怎么样？''

　从大学四年级开始就致力于金刚石半导体研究的梅泽的答案是

　“我知道这很有挑战性，但在这种环境下唯一能移动的就是钻石。让我们一起做吧！”

　当时已知金刚石半导体的半导体性能比以前的半导体材料好几个数量级，但它仍然是一项不成熟的技术，远未投入实际应用。梅泽接受咨询后，考虑了需要什么样的技术才能投入实际应用，以及开发的顺序。于是，联合研究开始了。

　三年后，即 2016 年，Okuma Diamond Devices 代表董事 Naohisa Hoshikawa 进入金刚石半导体领域。毕业于北海道大学工学部的星川已经开始了一项成功的福利相关业务，但作为一名企业家，他仍然想创建一家能够生产出可以在世界各地使用的技术的企业，因此他参观了母校的实验室，寻找可以成为企业种子的研究成果。然后，在金子的实验室里，我直观地感觉到，“这就是我能贡献的！”

　星川为其事业的种子寻求的条件是

　“它必须是一项能够遏制上游技术的基础技术。开发时间大概需要10年也没关系，但其他公司的门槛那么高，他们很难与之竞争。如果它成功了，它可以改写世界。政府支持这个项目必须有一个理由。必须有至少一个明确且实际的需求。”钻石半导体满足了所有这些要求。

直到大隈金刚石设备公司成立为止

　自2016年以来，星川每天都会来到金子的实验室，进行研究管理，承担实验室杂务，并为学生的研究提供咨询。

　“即使你突然站出来让我用你的技术创业，你也不会相信我。我把所有的工作时间都花在了钻石半导体的研究和准备上，”星川说。他还致力于独特的研究主题，并取得了被推荐为“撰写博士论文”的成果。

　经过大约六年的准备，星川决定于 2022 年成立 Okuma Diamond Devices。星川是

　“一个推进退役工作的国家项目正在进行中，我们正在参与其中。为了落实大学和国家研究机构的研究成果，我们需要能够实际生产和商业化它们的私营公司。”

　公司名称“大隈”源自福岛第一核电站所在地大隈町，规划中的金刚石半导体工厂建设地点也在大隈町。

　董事是日本产业技术研究院的梅泽和北海道大学的金子。梅泽将担任所谓的CTO（首席技术官）。金子当时还担任日本原子能机构（JAEA）退役国际协作研究中心的组长，拥有核反应堆和高质量金刚石基材方面的专业知识。

梅泽是金刚石半导体器件方面的专家。从我还是一名大学生开始，我就已经研究金刚石半导体超过 25 年了。也许是因为他的家族拥有一家制造电子零件的工厂，但他有强烈的愿望将研究成果付诸实践，并且他会做任何必要的研究以将其付诸实践。诚然，梅泽的研究成果意义深远，从制造金刚石大单晶的研究到粘合金刚石基板的研究，以用硅基板代替其中一些以降低成本。

　Okuma Diamond Device Company目前正致力于世界上第一个金刚石半导体的大规模生产和商业化。深度科技初创公司往往需要大量的初始投资和较长的开发周期。然而，初创公司并没有无限的资金和人力资源供应，在资源配置方面做出错误的决定可能是致命的。他们三人每天都在讨论他们应该何时以及向什么方向发展他们的业务。 (AIST 杂志“什么是深度技术？”）

　例如，当瞄准比模拟半导体拥有更大市场的逻辑半导体时，星川通过展望未来10到20年来计算市场规模。梅泽计算了如果实现的话可以预期的理论影响，并估计了n型金刚石半导体用于逻辑半导体的可行性、开发周期和成本以及竞争对手的进入壁垒水平。 Okuma Diamond Device 的优势之一是 CEO 和 CTO 深入了解彼此的故事。

开发进展迅速。世界第一系列

　Okuma Diamond Device Company 正在为退役工作开发一种用于中子探测的金刚石装置。退役工作的第一步是清除反应堆内部剩余的燃料碎片，但不能否认在此过程中达到“临界状态”的可能性。为了了解核裂变反应是否正在接近以链式反应进行的“临界状态”，有必要监测退役反应堆内燃料碎片中的中子剂量。然而，退役反应堆内部的辐射水平仍然很高，并且来自中子以外来源的大量噪声（例如伽马射线）也进入其中。因此，需要检测器来检测源自中子的信号和放大器来放大信号。他们正在尝试使用金刚石半导体制造探测器和放大器。

　世界上第一个使用金刚石半导体的放大器电路已经组装完成。此外，我们还开发了世界上第一个可以承受 300 摄氏度高温和辐射的原型系统。

　“每隔几个月，我们公司就会诞生一些世界首创的产品，”星川说。实际应用的发展势头强劲。

量产努力

半导体制造工艺也需要新的发展。例如，现有技术可以制造的金刚石晶片的直径很小，因此无法使用用于硅等其他现有半导体的半导体量产设备。即使金刚石晶片的直径增大，金刚石基板也会存在自身的问题，例如透明导致透镜难以聚焦、翘曲、热量分布不均匀以及加工困难等。我们必须想办法解决这些问题，推出我们自己的、有100多个步骤的半导体生产线。

　然而，一旦创建了这样的制造工艺，就会出现巨大的可能性。金刚石半导体的生产涉及到在金刚石晶片上创建电子电路的预处理，以及涉及从晶片切割半导体、封装它们并进行评估测试的后处理。通过将零件制作到一定程度，并根据用途将它们放置在中途的不同生产线上，不仅可以制造用于退役工作的放大器，还可以制造用于卫星通信和通信基站的设备。

　“与退役工作相比，卫星通信和通信基础设施应用需要长期可靠性。然而，我们在开发用于退役工作的金刚石半导体方面积累的技术可以应用于其他应用，”梅泽解释道。

除了退役之外，Okuma Diamond Devices 还参与了多个可作为下一代产业基础设施的半导体开发项目，其中包括由总务省资助的旨在在太空实现 Beyond 5G 的研发项目。

零市场是创业的好机会

　梅泽有一段惨痛的经历。有一次，我和一位同事算了一下，对话中说：“把人造钻石当成珠宝来卖，不是比当成半导体更有利可图吗？”现在，十多年过去了，印度已经开发出了大规模生产技术，并正在占领市场。

　印度在还没有实现大规模生产的前景之前，就投入了国家资金来开发大规模生产技术。利用日本研究人员发明的高度可重复性的人造钻石合成方法，他们将大规模生产珠宝，并用利润来开发下一代技术。当我们达成“大规模生产是可能的，并且有市场”的共识时，我们已经落后太多了，无法追赶。”梅泽说。

　就连有过这样经历的梅泽也认为，在2022年成立Okuma Diamond Devices还为时过早，因为在量产之前还有很多问题需要解决。然而，两年半后，星川决定在当时创办公司，回顾当时的情况，“时机再好不过了。”“如果我们在还没有市场、每个人都在观望时不启动，市场将再次被其他国家占领，”他说。

梅泽认为，为了将自己的研究成果付诸实际应用，需要与实际应用专家合作进行开发。截至2022年，除了Okuma Diamond之外的公司无法做出决定，也没有人做出开始将金刚石半导体商业化的决定。梅泽认为现在创业还为时过早，但现在他很高兴自己参与了创业。

　一旦你决定做某事，你所从事的研究的优先顺序就会发生变化。梅泽说，当你开始从事实际应用和大规模生产时，你会发现与仅仅进行有趣的研究时不同的问题。

　我们目前正在开发的金刚石半导体技术可应用于通信基础设施和航天工业。金刚石半导体可能是航天工业市场增长多少的关键。我们将创造我们自己的金刚石半导体市场。这就是 Okuma Diamond Devices 所追求的未来。

　由星川、梅泽以及来自北海道和日本其他地区的成员正在开发的大隈钻石设备公司需要更多的成员。

　“实际上，有很多人申请到我们公司工作，”星川说。我们正全力加速迈向实际应用。