晶品分享：鉆石功率半導體 憑借其卓越的性能，即將改變從電動汽車到發電站等各個行業。日本在鉆石半導體技術方面的重大進步為其商業化鋪平了道路，并有望在未來實現這些半導體比硅器件多 50,000 倍的電力。
隨著日本在該領域的研發工作處于領先地位，Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司在批量生產鉆石晶片和組件方面取得了顯著進展。隨著鉆石半導體的潛在商業化越來越近，該行業有望實現顯著的增長和創新。
主要須知事項：
1、金剛石半導體可處理比傳統硅器件高達 50,000 倍的電能，使其成為電動汽車和航空航天等高需求應用的理想選擇。
2、日本在金剛石半導體研究領域處于領先地位，Orbray 和 Power Diamond Systems 等公司致力于實現可擴展生產以滿足未來的商業需求。
3、包括與佐賀大學和日本宇宙航空研究開發機構在內的大學和產業合作正在推動金剛石技術走向太空應用，增強其在惡劣環境下的耐用性和信號完整性。
4、隨著鉆石技術的成熟，其采用將帶來更加可持續和高效的電子設備，符合全球對生態高效技術和可再生能源解決方案的發展趨勢。
金剛石半導體的廣泛應用將如何影響電動汽車和發電站的效率和性能，金剛石半導體的成功商業化需要克服哪些挑戰，以及日本金剛石半導體的出現將如何影響全球半導體市場動態？
金剛石給半導體設計帶來了哪些挑戰？
現代社會電氣化的曙光催生了對能夠高效、可持續地處理更大負載的大功率電子設備的迫切需求。隨著我們對技術的依賴性不斷增長，對支持 下一代電力電子設備的材料的需求也在不斷增長 。
1、傳統硅在高功率應用中的局限性
傳統硅雖然應用廣泛，但其效率正日益達到極限，尤其是在高溫和高壓條件下。因此，人們的注意力轉向碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等材料， 這些材料在這些領域表現出了卓越的性能。然而，探索并未止步于此；長期以來因其美學品質而備受推崇的鉆石，現在正在研究其作為 新型功率半導體的潛力。
鉆石是碳的結晶形式， 不僅因為其硬度和亮度而聞名，還因為其卓越的電氣和熱性能而聞名。這些特性使其成為電力電子領域極具吸引力的候選材料。
例如，鉆石的高導熱性使其能夠高效散熱，這是電子設備中一個關鍵因素，因為過熱會導致設備故障。鉆石的寬帶隙還意味著，與硅制成的設備相比，基于鉆石的設備可以在更高的電壓和溫度下運行 。
盡管金剛石具有這些令人期待的特性， 但在將其廣泛應用于半導體領域之前，仍有許多重大挑戰需要解決。其中一個主要障礙就是其 硬度。
2、制造金剛石基器件的挑戰
雖然鉆石的硬度是切割和磨損材料的理想特性 ，但它對半導體制造提出了獨特的挑戰。切割和塑造鉆石的難度使得制造基于鉆石的設備不僅在技術上具有挑戰性，而且成本高昂。
此外，金剛石在長期設備應用中的適用性受到 其隨時間推移而退化的趨勢的制約。金剛石在長期運行條件下的穩定性仍是一個研究課題。這種退化會影響金剛石基電子設備的性能和壽命，從而可能限制其實際應用。
另一個重大挑戰是功率半導體領域的鉆石技術相對較新。與數十年來一直占據半導體技術核心的硅不同，鉆石并未受益于成熟的技術生態系統。
3、鉆石新興技術生態系統
由于金剛石在半導體中的新特性，研究人員和工程師在許多方面都從頭開始。這種不成熟意味著 仍有許多基礎工作需要完成，從開發可靠的制造工藝到了解金剛石在各種操作壓力下的長期行為。
最后， 金剛石的復雜晶體結構使其 在生產過程中的操作變得復雜。制造高質量的金剛石半導體需要在微觀層面上精確控制材料特性，這項任務涉及復雜的技術和大量的資金投入。因此，生產金剛石器件的成本仍然是 其在半導體行業廣泛應用的主要障礙。
日本研究人員接近研制出金剛石半導體
日本在半導體技術方面取得了令人矚目的飛躍， 有望 在 金剛石半導體領域取得重大進展，并有可能在 2025 年至 2030 年之間實現實際應用。這些發展尤其引人注目，因為金剛石半導體以其卓越的性能和處理極端條件的能力而聞名，這可能會改變各種高需求的電子行業。
鉆石半導體的特點是能夠在極高的電壓下工作，并且能夠承受硅無法企及的高溫。它們在電動汽車和航空航天等耗能應用中的應用可能標志著根本性的轉變，減少熱量損失并延長設備壽命。日本的進步，尤其是來自大學主導的研發的進步，表明日本正集中精力在競爭激烈的領域取得領先地位，而目前硅和氮化鎵等材料占據主導地位。
日本在先進半導體研究中的作用
佐賀大學一直處于這項創新的前沿，于 2023 年開發出世界上第一個由金剛石半導體制成的功率器件 。這一突破是與日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA) 合作實現的，重點是用于太空通信的高頻元件。這項技術的影響不僅限于地面應用，還可能提高太空探索設備的可靠性和性能。
太空應用對高頻元件的重視表明了金剛石在極端環境下改善信號完整性的潛力。JAXA 與佐賀大學在這些項目上的合作凸顯了金剛石半導體的吸引力，不僅因為它們的耐用性，還因為它們能夠使衛星和航天器系統實現更高效的電源管理，這是可靠性至關重要的太空探索任務中的關鍵因素。
此外，總部位于東京的 Orbray 已開發出 2 英寸金剛石晶圓的量產技術，并正在朝著實現 4 英寸基板的目標邁進。這種規模擴大對于滿足 電子行業的商業需求至關重要。Orbray 與英美資源集團的合作以及與 Mirai Technologies 的合作得到了豐田和電裝等巨頭的支持，凸顯了該行業致力于將金剛石半導體整合到主流應用中的承諾，包括預計在 2030 年代出現的車載電源設備。
1、擴大生產：Orbray 向 4 英寸鉆石晶圓邁進
隨著 Orbray 擴大生產能力，業界密切關注金剛石晶片能否在高功率設備中超越硅甚至碳化硅基板。一旦實現 4 英寸金剛石基板的商業化，將解決生產中的一個關鍵瓶頸，使廣泛工業應用的可行性更近一步，并使日本的半導體行業能夠在全球范圍內樹立新的標準。
擴張并未止步于此。Orbray 計劃在秋田縣建立新工廠，以提高生產能力，并計劃在 2029 年進行首次公開募股。與此同時，Power Diamond Systems 和 Ookuma Diamond Device 等初創公司分別在加強該技術在電力效率和環境清潔方面的應用。早稻田大學的衍生公司 Power Diamond Systems 正在增強這些設備的載流能力，而 Ookuma Diamond Device 則專注于將它們部署到福島第一核電站用于核廢料清除，展示該材料對高輻射的抵抗力。
2、新興創業公司和環境應用
這種韌性不僅對輻射量大的應用至關重要，而且還能增強金剛石在核電設施等高壓環境中的適用性。通過將這些設備應用于核廢料清除，Ookuma Diamond Device 等公司展示了金剛石半導體如何在能源和環境領域帶來變革，為傳統材料提供持久的替代品。
這個蓬勃發展的行業不僅彰顯了日本研發的技術實力和創新精神 ，還凸顯了材料科學的重大轉變，即金剛石半導體可能成為未來電子和電力設備的基石。隨著這些技術的成熟，從電動汽車到航空航天等各個領域都有可能被廣泛采用，這可能會為該行業樹立新的標準，有望使這些設備 不僅 比硅基設備更堅固，而且效率更高。
3、鉆石在主流應用中的未來
將金剛石半導體融入能源密集型技術可以降低整體功耗，同時提高可靠性，這一組合可滿足日益增長的可持續性需求。隨著各行各業繼續優先考慮生態高效技術，鑒于金剛石具有卓越的熱管理和電力能力，轉向基于金剛石的解決方案可能會進一步激勵人們轉向可再生能源。
日本在鉆石半導體創新領域處于領先地位，凸顯了全球競相開發先進材料以突破電子設計界限的趨勢。鉆石技術有可能同時滿足監管和環境標準，符合可持續發展的未來，使日本的研發工作在國際半導體領域中脫穎而出。
金剛石可以取代其他高功率半導體器件嗎？
金剛石半導體技術的出現并不意味著 GaN 或 SiC 的過時，而是標志著工程師可用材料的多樣化。每種材料都有其獨特的 特性 ，使設計更復雜、更個性化的電子系統成為可能。作為工程師和科學家，我們的任務不是尋找一種“最佳”半導體材料，而是了解和利用每種材料的獨特優勢，并與其他材料和諧相處。
隨著金剛石半導體技術的商業化，它 確實將 開辟新的創新途徑。工程師將面臨新的挑戰和機遇，以突破電子設計的可能性界限。探索 金剛石在電子領域的潛力不僅涉及采用新材料，還涉及重新思考我們解決工程問題和設計系統的方法。
雖然 人們對金剛石半導體的興奮是 所當然的，但保持平衡的觀點至關重要。半導體技術的未來很可能以多種材料的混合為特征，每種材料都因其能夠以經濟高效的方式滿足特定的技術要求而被選中。金剛石、GaN 和 SiC 半導體之間的相互作用將塑造下一代電子設備，推動創新，同時解決成本和特定應用需求的實際情況。這種細致入微的方法將確保半導體技術的可持續發展，滿足現代世界不斷擴展的應用范圍。
