独立行政机构国立先进工业科学技术研究所[主席：野间口佑]（以下简称“AIST”）钻石研究实验室 Shinichi Shikada，研究实验室主任，Hitoshi Umezawa，国立大学法人大阪大学首席研究员 [院长：Toshio Hirano] 工学研究科，电气，电子和信息工程系，Tsuyoshi Funaki 教授正在与 Tsuyoshi 教授合作Funaki 使用金刚石半导体实现 1 安培级输出电力电子器件的二极管整流元件并测量了世界上第一个使用金刚石半导体的二极管在250摄氏度高温下的开关性能，证实了其高速和低损耗运行。
金刚石具有高导热性，即使作为半导体，也具有优异的介电击穿电场和电荷迁移率。因此，有望应用于高耐压、低损耗、高速工作的半导体器件，特别是用于控制电力的功率半导体器件。这次，它能够输出1安培级，并且可以在250°C的高温下工作肖特基型二极管整流器制造并耐热密封。双脉冲法恢复属性经测量，确认了 15 纳秒的高速开关和 60 纳J（焦耳）的小开关损耗。该技术无需冷却系统，可实现高耐压、大电流密度、高速运行和低损耗。电源设备将会实现。
该结果详细发表于2012年12月18日（日本时间）电子信息通信工程学会学术期刊电子快递此外，“纳米技术2013年在第十二届国际纳米技术展览和技术会议上发表。
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| 原型金刚石二极管整流器 |
功率器件是执行电气设备必需的功率控制的半导体器件。逆变器至关重要最近，制造可在高电压和大电流下工作的功率器件已成为可能，并且这些器件正在迅速普及，包括用于驱动混合动力汽车的电机，并有望成为一个巨大的市场。另外，通过提高功率器件的性能来降低功耗就是CO2经济产业省制定了“酷地球- 能源创新技术计划''，也被认为是应该优先考虑的能源创新技术之一。
然而，目前用于功率器件的硅（Si）半导体存在耐热、耐压、功率损耗、电流密度等问题，因此正在开发用于功率器件的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新材料。金刚石是一种性能超越这些新材料的材料；它本身是一种传递热量的热扩散材料，并且具有超高耐压和超高温工作等独特的物理特性，因此有望能够制造出不需要冷却系统的高耐压和大电流密度的功率器件。
产业技术研究院正在研究将具有硬度、导热性、弹性常数、透光率、化学稳定性、电化学特性等优异特性的金刚石与具有半导体特性的元素相结合，开发新的用途。我们已经开发出大型单晶结合金刚石晶片（2010 年 3 月 1 日 AIST 新闻稿)，后来达到了世界最大尺寸2厘米×4厘米。我们还在对使用金刚石的器件进行基础研究，并开发了小型金刚石二极管并首次演示了开关操作（2009 年 1 月 8 日、2010 年 9 月 8 日 AIST 新闻稿) 已成功。当时使用的装置是额定功率为数十毫安的装置，但后来开发了额定功率为1至5安培的装置（2012年12月17日，日本应用物理学会学术期刊）应用物理快车），该元件用于开关电路的操作。
这项研究和开发是在新能源和产业技术发展组织“节能创新技术开发项目”（2010-2019财年）的支持下进行的。
我们这次原型制作的肖特基型金刚石二极管整流器是通过在大型立式器件的 250°C 耐热封装上安装耐热密封材料来制造的。由于金刚石的特性，该器件可以在高温下工作，无需冷却，并且可以在高电流密度下工作。
11420_11588金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET)确认二极管整流器的开关特性请注意，由于 MOSFET 无法在高温下工作，因此只有整流器元件被加热到高温。
如图1所示，使用不受器件温度变化影响的双脉冲方法进行评估时，从室温到250°C表现出类似的电流和电压开关特性，并确认了15纳秒的高速开关。此外，开关损耗保持在 60 纳焦的低水平。请注意，振铃（振动成分）的过冲和收敛不良是由于仅二极管整流元件被加热到高温并且在长距离布线下进行测量造成的。
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| (a) 当前特性 |
(b) 电压特性 |
图1 不同温度下的开关特性（室温至250℃）
即使将器件从室温加热到 250 °C，它也具有类似的特性。 |
这次，我们能够演示金刚石二极管作为整流元件的操作，证实了金刚石功率器件在高温操作和低损耗操作中的优越性。未来，我们将致力于大面积衬底制造技术、低缺陷、高质量薄膜生长技术、器件设计技术等的开发，目标是制造出可以输出10安培，最终达到100安培的器件，使实用功率器件所需的大电流能够流动。除了肖特基型金刚石二极管整流器外，我们还在进行金刚石晶体管元件的研究，以实现功率器件的节能化。
国立产业技术综合研究所
钻石研究实验室
研究实验室主任 Shinichi Shikata 电子邮件：s-shikata*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）