以佐賀大學理工學部教授加須誠（半導體工學）為首的研究小組，在世界上首次成功開發(fā)出使用金剛石的半導體電源電路。證明了迄今為止被認為困難的高速開關和長時間運行是可能的。如果該電源電路能夠投入實際使用，有望應用于下一代通信標準“6G”、量子計算機等最新技術。

與傳統(tǒng)上用于半導體的硅和其他材料相比，金剛石可以承受更高的電壓，可以以更高的速度和頻率運行，并且可以用于外層空間等高輻射環(huán)境。金剛石半導體作為下一代功率半導體的發(fā)展勢頭強勁。

但是，要將由碳制成的金剛石制成半導體，添加稱為“摻雜”的雜質的技術和稱為“鈍化”的施加保護膜的技術是困難的。雖然海外的許多努力都失敗了，但 Kakazu 教授的小組建立了一種將二氧化氮添加到金剛石中的技術，并且還發(fā)現(xiàn)了一種使用獨特的 ALD（原子層沉積）設備使用真空來涂敷氧化鋁薄膜的方法。。成功穩(wěn)定生產(chǎn)金剛石半導體器件，并在2022年公布了世界最高輸出功率（875MW/cm2）和輸出電壓（3659V）。

顯示半導體中使用的物質特性的表格。可見金剛石在半導體中的物理性能優(yōu)于硅和氮化鎵（佐賀大學提供）

Kakazu教授（左）開發(fā)的金剛石半導體結構和場效應晶體管的結構。摻雜技術特別困難（佐賀大學提供）

為實際使用而制作的電路，

電線通過少量焊接拉伸

有人指出，當金剛石半導體用作電源電路時，元件會迅速劣化并且難以長時間運行。Kakazu 教授的團隊著手創(chuàng)建一個考慮到實際應用的電源電路。由于金剛石與電極金屬的附著力弱的特性，布置起來極其困難，但是通過控制金線的張力來連接金剛石半導體器件的電極和外部印刷電路板的方法作為實用電路開發(fā)并成功運行。這使得測量實際使用所需的開關特性和壽命成為可能。

開關是一種電子和空穴流過半導體的操作，在施加電壓時導致電流流動（開啟）或阻止電流（關閉）。改善開關特性取決于電子和空穴開始流動所需的時間有多短以及流動的電子和空穴從半導體內部提取所需的時間。在測量開關特性時，發(fā)現(xiàn)是10納秒（1納秒是十億分之一秒）和100兆赫茲，比傳統(tǒng)的功率半導體更快。我們認為這是由于金剛石具有較小的電容。這表明金剛石電源電路具有低能量損耗和高效率。

在短時間內準確地開啟/關閉開關可以更有效地利用能源。在 Kakazu 教授的電路中，兩者都不到 10 納秒

此外，當運行金剛石電源電路時，發(fā)現(xiàn)即使連續(xù)運行超過190小時，它也沒有劣化。由于即使在 190 小時后也沒有看到任何劣化，我們認為可以運行更長的時間，我們計劃挑戰(zhàn)我們可以移動到多遠。

雖然離實際使用還有很遠的距離，但已確認即使在 190 小時后仍能繼續(xù)運行而不會劣化。一般需要運行100萬小時才能實際使用

隨著金剛石半導體功率電路的開關和長時間工作特性的展示，有望在實際應用的研發(fā)方面取得進展。佐賀大學憑借金剛石半導體器件實現(xiàn)世界最高輸出功率和輸出電壓等成就，被半導體行業(yè)報紙電子設備行業(yè)報紙評選為“2023年度半導體”。在5月31日于東京舉行的頒獎典禮上，Kakazu教授表示，“我們希望通過產(chǎn)學合作，盡快讓這項技術走上商業(yè)化的道路。” Kakazu 教授表示，目前還沒有決定在哪個領域最好將其商業(yè)化，因為它可以用于許多地方，例如太空、下一代通信、電動汽車和高輻射環(huán)境。

該系列研究已申請專利。該研究是在日本學術振興會的科學研究資助下進行的，兩篇論文發(fā)表在日本電氣和電子工程師學會電子設備快報5月和6月號上美國。佐賀大學分別于4月17日和5月25日公布了結果。