文｜半导体产业纵横 

金刚石可以取代其他高功率半导体器件吗？

钻石功率半导体凭借其卓越的性能，即将改变从电动汽车到发电站等各个行业。日本在钻石半导体技术方面的重大进步为其商业化铺平了道路，并有望在未来实现这些半导体比硅器件多50,000倍的电力。

随着日本在该领域的研发工作处于领先地位，Orbray和PowerDiamondSystems等公司在批量生产钻石晶片和组件方面取得了显著进展。随着钻石半导体的潜在商业化越来越近，该行业有望实现显著的增长和创新。

金刚石(diamond,也译作钻石)半导体的广泛应用将如何影响电动汽车和发电站的效率和性能，金刚石半导体的成功商业化需要克服哪些挑战，以及日本金刚石半导体的出现将如何影响全球半导体市场动态？

金刚石给半导体设计带来了哪些挑战？

现代社会电气化的曙光催生了对能够高效、可持续地处理更大负载的大功率电子设备的迫切需求。随着我们对技术的依赖性不断增长，对支持下一代电力电子设备的材料的需求也在不断增长。

传统硅在高功率应用中的局限性

传统硅虽然应用广泛，但其效率正日益达到极限，尤其是在高温和高压条件下。因此，人们的注意力转向碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料，这些材料在这些领域表现出了卓越的性能。然而，探索并未止步于此；长期以来因其美学品质而备受推崇的钻石，现在正在研究其作为新型功率半导体的潜力。

钻石是碳的结晶形式，不仅因为其硬度和亮度而闻名，还因为其卓越的电气和热性能而闻名。这些特性使其成为电力电子领域极具吸引力的候选材料。

例如，钻石的高导热性使其能够高效散热，这是电子设备中一个关键因素，因为过热会导致设备故障。钻石的宽带隙还意味着，与硅制成的设备相比，基于钻石的设备可以在更高的电压和温度下运行。

尽管钻石具有这些令人期待的特性，但在将其广泛应用于半导体领域之前，仍有许多重大挑战需要解决。其中一个主要障碍就是其硬度。

制造钻石基器件的挑战

虽然钻石的硬度是切割和磨损材料的理想特性，但它对半导体制造提出了独特的挑战。切割和塑造钻石的难度使得制造基于钻石的设备不仅在技术上具有挑战性，而且成本高昂。

此外，金刚石在长期设备应用中的适用性受到其随时间推移而退化的趋势的制约。金刚石在长期运行条件下的稳定性仍是一个研究课题。这种退化会影响金刚石基电子设备的性能和寿命，从而可能限制其实际应用。

另一个重大挑战是功率半导体领域的钻石技术相对较新。与数十年来一直占据半导体技术核心的硅不同，钻石并未受益于成熟的技术生态系统。

钻石新兴技术生态系统

由于金刚石在半导体中的新特性，研究人员和工程师在许多方面都从头开始。这种不成熟意味着仍有许多基础工作需要完成，从开发可靠的制造工艺到了解金刚石在各种操作压力下的长期行为。

最后，金刚石的复杂晶体结构使其在生产过程中的操作变得复杂。制造高质量的金刚石半导体需要在微观层面上精确控制材料特性，这项任务涉及复杂的技术和大量的资金投入。因此，生产金刚石器件的成本仍然是其在半导体行业广泛应用的主要障碍。

日本研究人员接近研制出金刚石半导体

日本在半导体技术方面取得了令人瞩目的飞跃，有望在金刚石半导体领域取得重大进展，并有可能在2025年至2030年之间实现实际应用。这些发展尤其引人注目，因为金刚石半导体以其卓越的性能和处理极端条件的能力而闻名，这可能会改变各种高需求的电子行业。

金刚石半导体的特点是能够在极高的电压下工作，并且能够承受硅无法企及的高温。它们在电动汽车和航空航天等耗能应用中的应用可能标志着根本性的转变，减少热量损失并延长设备寿命。日本的进步，尤其是来自大学主导的研发的进步，表明日本正集中精力在竞争激烈的领域取得领先地位，而目前硅和氮化镓等材料占据主导地位。

日本在先进半导体研究中的作用

佐贺大学一直处于这项创新的前沿，于2023年开发出世界上第一个由金刚石半导体制成的功率器件。这一突破是与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作实现的，重点是用于太空通信的高频元件。这项技术的影响不仅限于地面应用，还可能提高太空探索设备的可靠性和性能。

太空应用对高频元件的重视表明了金刚石在极端环境下改善信号完整性的潜力。JAXA与佐贺大学在这些项目上的合作凸显了金刚石半导体的吸引力，不仅因为它们的耐用性，还因为它们能够使卫星和航天器系统实现更高效的电源管理，这是可靠性至关重要的太空探索任务中的关键因素。

此外，总部位于东京的Orbray已开发出2英寸金刚石晶圆的量产技术，并正在朝着实现4英寸基板的目标迈进。这种规模扩大对于满足电子行业的商业需求至关重要。Orbray与英美资源集团的合作以及与MiraiTechnologies的合作得到了丰田和电装等巨头的支持，凸显了该行业致力于将金刚石半导体整合到主流应用中的承诺，包括预计在2030年代出现的车载电源设备。

扩大生产：Orbray向4英寸金刚石晶圆迈进

随着Orbray扩大生产能力，业界密切关注金刚石晶片能否在高功率设备中超越硅甚至碳化硅基板。一旦实现4英寸金刚石基板的商业化，将解决生产中的一个关键瓶颈，使广泛工业应用的可行性更近一步，并使日本的半导体行业能够在全球范围内树立新的标准。

扩张并未止步于此。Orbray计划在秋田县建立新工厂，以提高生产能力，并计划在2029年进行首次公开募股。与此同时，Power Diamond Systems和Ookuma Diamond Device等初创公司分别在加强该技术在电力效率和环境清洁方面的应用。早稻田大学的衍生公司Power Diamond Systems正在增强这些设备的载流能力，而Ookuma Diamond Device则专注于将它们部署到福岛第一核电站用于核废料清除，展示该材料对高辐射的抵抗力。

新兴创业公司和环境应用

这种韧性不仅对辐射量大的应用至关重要，而且还能增强金刚石在核电设施等高压环境中的适用性。通过将这些设备应用于核废料清除，OokumaDiamondDevice等公司展示了金刚石半导体如何在能源和环境领域带来变革，为传统材料提供持久的替代品。

这个蓬勃发展的行业不仅彰显了日本研发的技术实力和创新精神，还凸显了材料科学的重大转变，即金刚石半导体可能成为未来电子和电力设备的基石。随着这些技术的成熟，从电动汽车到航空航天等各个领域都有可能被广泛采用，这可能会为该行业树立新的标准，有望使这些设备不仅比硅基设备更坚固，而且效率更高。

钻石在主流应用中的未来

将金刚石半导体融入能源密集型技术可以降低整体功耗，同时提高可靠性，这一组合可满足日益增长的可持续性需求。随着各行各业继续优先考虑生态高效技术，鉴于金刚石具有卓越的热管理和电力能力，转向基于金刚石的解决方案可能会进一步激励人们转向可再生能源。

日本在钻石半导体创新领域处于领先地位，凸显了全球竞相开发先进材料以突破电子设计界限的趋势。钻石技术有可能同时满足监管和环境标准，符合可持续发展的未来，使日本的研发工作在国际半导体领域中脱颖而出。

金刚石可以取代其他高功率半导体器件吗？

金刚石半导体技术的出现并不意味着GaN或SiC的过时，而是标志着工程师可用材料的多样化。每种材料都有其独特的特性，使设计更复杂、更个性化的电子系统成为可能。作为工程师和科学家，我们的任务不是寻找一种“最佳”半导体材料，而是了解和利用每种材料的独特优势，并与其他材料和谐相处。

随着金刚石半导体技术的商业化，它确实将开辟新的创新途径。工程师将面临新的挑战和机遇，以突破电子设计的可能性界限。探索金刚石在电子领域的潜力不仅涉及采用新材料，还涉及重新思考我们解决工程问题和设计系统的方法。

综上所述

虽然人们对金刚石半导体的兴奋是理所当然的，但保持平衡的观点至关重要。半导体技术的未来很可能以多种材料的混合为特征，每种材料都因其能够以经济高效的方式满足特定的技术要求而被选中。金刚石、GaN和SiC半导体之间的相互作用将塑造下一代电子设备，推动创新，同时解决成本和特定应用需求的实际情况。这种细致入微的方法将确保半导体技术的可持续发展，满足现代世界不断扩展的应用范围。