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金刚石半导体，全球首创

以佐贺大学理工学部教授加须诚(半导体工学)为首的研究小组，在世界上首次成功开发出使用金刚石的半导体电源电路。证明了迄今为止被认为困难的高速开关和长时间运行是可能的。如果该电源电路能够投入实际使用，有望应用于下一代通信标准“6G”、量子计算机等最新技术。

与传统上用于半导体的硅和其他材料相比，金刚石可以承受更高的电压，可以以更高的速度和频率运行，并且可以用于外层空间等高辐射环境。金刚石半导体作为下一代功率半导体的发展势头强劲。

但是，要将由碳制成的金刚石制成半导体，添加称为“掺杂”的杂质的技术和称为“钝化”的施加保护膜的技术是困难的。虽然海外的许多努力都失败了，但 Kakazu 教授的小组建立了一种将二氧化氮添加到金刚石中的技术，并且还发现了一种使用独特的 ALD(原子层沉积)设备使用真空来涂敷氧化铝薄膜的方法。。成功稳定生产金刚石半导体器件，并在2022年公布了世界最高输出功率(875MW/cm²)和输出电压(3659V)。

显示半导体中使用的物质特性的表格。可见金刚石在半导体中的物理性能优于硅和氮化镓(佐贺大学提供)

有人指出，当金刚石半导体用作电源电路时，元件会迅速劣化并且难以长时间运行。Kakazu 教授的团队着手创建一个考虑到实际应用的电源电路。由于金刚石与电极金属的附着力弱的特性，布置起来极其困难，但是通过控制金线的张力来连接金刚石半导体器件的电极和外部印刷电路板的方法作为实用电路开发并成功运行。这使得测量实际使用所需的开关特性和寿命成为可能。

开关是一种电子和空穴流过半导体的操作，在施加电压时导致电流流动(开启)或阻止电流(关闭)。改善开关特性取决于电子和空穴开始流动所需的时间有多短以及流动的电子和空穴从半导体内部提取所需的时间。在测量开关特性时，发现是10纳秒(1纳秒是十亿分之一秒)和100兆赫兹，比传统的功率半导体更快。我们认为这是由于金刚石具有较小的电容。这表明金刚石电源电路具有低能量损耗和高效率。

此外，当运行金刚石电源电路时，发现即使连续运行超过190小时，它也没有劣化。由于即使在 190 小时后也没有看到任何劣化，我们认为可以运行更长的时间，我们计划挑战我们可以移动到多远。

虽然离实际使用还有很远的距离，但已确认即使在 190 小时后仍能继续运行而不会劣化。一般需要运行100万小时才能实际使用

随着金刚石半导体功率电路的开关和长时间工作特性的展示，有望在实际应用的研发方面取得进展。佐贺大学凭借金刚石半导体器件实现世界最高输出功率和输出电压等成就，被半导体行业报纸电子设备行业报纸评选为“2023年度半导体”。在5月31日于东京举行的颁奖典礼上，Kakazu教授表示，“我们希望通过产学合作，尽快让这项技术走上商业化的道路。” Kakazu 教授表示，目前还没有决定在哪个领域最好将其商业化，因为它可以用于许多地方，例如太空、下一代通信、电动汽车和高辐射环境。

该系列研究已申请专利。该研究是在日本学术振兴会的科学研究资助下进行的，两篇论文发表在日本电气和电子工程师学会电子设备快报5月和6月号上美国。佐贺大学分别于4月17日和5月25日公布了结果。