Алмазные полупроводники, практическое применение уже не за горами
ИНТЕРВЬЮ 14
Профессор Макото Касу
Кафедра электротехники и электроники
Университет Сага
Алмазные полупроводники привлекают внимание как силовые полупроводники и высокочастотные устройства. В последнее время наблюдаются движения, демонстрирующие, что они отошли от фундаментальных исследований к практическому применению. Профессор Макото Касу из Университета Сага занимается исследованиями практического применения алмазных полупроводников. Мы взяли у него интервью о его историях об исследованиях и проекте практического применения.
Полупроводники, соответствующие электромобилям и «за пределами 5G»
Исследования профессора Касу в области алмазных полупроводников начались с привлечения людей из его окружения.
Сначала он объявил, что начнет разработку микроволнового устройства усиления электричества для космической связи совместно с Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) и Национальным технологическим институтом (KOSEN), колледжем Куре (декабрь 2023 г.). Целью была установка устройства на сверхмалом спутнике для дальнейшей демонстрации в космосе. Через год после объявления он начал сотрудничать с CTC (ITOCHU Techno-Solutions Corporation) по исследованию в направлении социальной реализации алмазных полупроводников (январь 2025 г.). Кроме того, профессор Касу планирует создать новую компанию под названием «Diamond Semiconductor», чтобы ускорить движение. В течение 2026 финансового года он планирует отправить образцы алмазных полупроводников из этой новой компании.
Алмазные полупроводники привлекают внимание, поскольку они обладают различными потенциалами, значительно превосходящими потенциалы кремния (Si), и, как ожидается, будут использоваться в областях, где кремний не подходит.
Например, растет спрос на силовые полупроводники, которые контролируют электричество, например, электромобили (EV). Однако требуемыми характеристиками являются высокая прочность диэлектрика на пробой и способность легко проводить ток в областях, где присутствуют носители (свободные электроны или дырки).
Прочность диэлектрика алмазных полупроводников в 33 раза выше, чем у кремниевых, что позволяет проводить большие электрические токи там, где присутствуют носители. По индексу, указывающему на производительность силовых полупроводников (показатель качества Балиги), алмазные полупроводники имеют более высокое значение, чем кремний, а также следующее поколение силовых полупроводников из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN).
| Si | карбид кремния | GaN | Diamond | Характеристика алмазного полупроводника | |
|---|---|---|---|---|---|
| Запрещенная зона | 1 | 2.9 | 3.0 | 4.9 | Работает при температуре в 5 раз выше |
| Диэлектрическая прочность на пробой | 1 | 9.3 | 16.6 | 33 | Работает при напряжении в 33 раза выше |
| Теплопроводность | 1 | 3.8 | 1.2 | 17 | В 17 раз легче рассеивать тепло. Температура не повышается. |
| Показатель заслуг Балиги: (BFOM) | 1 | 580 | 3,800 | 49,000 | Характеристики устройства с высокой эффективностью и в 50,000 XNUMX раз большей электрической мощностью |
| Показатель заслуг Джонсона: (JFOM) | 1 | 420 | 1,100 | 1,225 | Характеристики высокоскоростного устройства питания для 6G с мощностью в 1,200 раз больше. |
Физические свойства алмазного полупроводника (Материал предоставлен: профессором Касу)
Кроме того, индекс, указывающий на пригодность высокочастотного устройства (показатель качества Джонсона), также высок. Поэтому его использование ожидается в базе мобильных телефонов «За пределами 5G (*1)». Кроме того, алмазные полупроводники устойчивы к радиации, и его использование для связи в космической среде весьма ожидаемо.
Поскольку исследования алмазных полупроводников начали расцветать в начале 1980-х годов, это относительно новая область. Толчком послужил успех эпитаксиального роста (*2) алмазной пленки в Японии.
Он был реализован методом MPCVD (микроволновое плазменно-химическое осаждение из паровой фазы), который представляет собой реакцию исходных газов метана и водорода в плазме. Искусственные алмазы раньше производились путем приложения высокого напряжения (приблизительно 50,000 0.1 атмосфер), как будто имитируя рост природных алмазов в целом. Однако теперь его можно производить при низком давлении (например, XNUMX атмосферы). Национальный институт исследований неорганических материалов (тогда) (текущее название: NIMS: Национальный институт материаловедения) нашел этот метод и объявил о нем. Многие исследователи в Японии и за ее пределами начали изучать алмазы.
*1 Инфраструктура информационно-коммуникационной связи следующего поколения (6G), которая еще больше повышает производительность системы мобильной связи 5-го поколения. Практическое использование, как ожидается, начнется около 2030 года.
*2 Технология выращивания новых монокристаллических тонких пленок на монокристаллических подложках. Когда кристалл подложки и выращиваемый кристалл имеют одинаковую постоянную решетки, это называется гомоэпитаксиальным ростом, а когда они имеют разные постоянные решетки, это называется гетероэпитаксиальным ростом. В алмазных полупроводниках почти всегда используется гетероэпитаксиальный рост.
Устройство, которое вырабатывает электроэнергию только утром и вечером
Профессор Касу начал исследование алмазных полупроводников в NTT Basic Research Laboratories, когда задался вопросом. Когда тонкие алмазные пленки, выращенные методом MPCVD (*3), остаются на воздухе, они иногда проводят электричество. Но причина этого не была четко понята. Было несколько теорий. Одна из теорий о том, что «это вызвано водой и углекислым газом (в воздухе)», была даже опубликована в известном зарубежном научном журнале. Однако, когда профессор Касу погружал пленку в воду или дул на нее, она не проводила электричество, как ожидалось. В чем могла быть причина?
«Я должен проверить это сам». Имея это в виду, профессор Касу попробовал различные газы, содержащиеся в воздухе, такие как азот (N2), кислород(O2), оксид углерода (CO2), и аргон (Ar). Но ни один из них не проводил электричество.
Однажды он заметил что-то странное в значении измерения. Он подал напряжение на алмаз для проверки электрического соединения и оставил его в таком состоянии более чем на неделю. Затем он обнаружил, что большой электрический ток течет около 9 утра и 5 вечера. Это было всегда 9 утра и 5 вечера по будням. По субботам и воскресеньям электричество не текло. Что, черт возьми, происходит?
3 часа дня. Время чая, отведенного исследовательской лабораторией. Исследователи из других отделов собирались по одному, принося с собой чай и кофе. Он поднял тему «феномена с 9 до 5». Ему было интересно, что скажут все. «Может ли это быть диоксид азота (NO2)?» — предложила женщина с химического факультета.
НЕТ2 это газ, содержащийся в выхлопных газах автомобилей. Таким образом, его концентрация увеличивается во время поездок на работу. Было отмечено, что это изменение похоже на изменение тока алмаза. Если причиной являются автомобили, едущие на работу, это также согласуется с тем фактом, что по субботам и воскресеньям нет тока. Он немедленно одолжил устройство для генерации NO2 и прибор для его измерения и провел эксперимент. Конечно, ток потек.
После этого он исследовал, могут ли другие газы оказывать тот же эффект, и обнаружил, что озон (O3), оксид сульфида (SO2), и оксид азота (NO)(*4) также проводили электричество. Считается, что эти газы прилипают к поверхности, заставляя электроны перемещаться от водородных терминалов к молекулам газа и создавая носители на поверхности алмаза. Он также провел еще один эксперимент, чтобы увидеть, как изменяется плотность носителей при изменении типа и концентрации газа.
*3 Точнее, это тонкая алмазная пленка с водородными связями на поверхности, которая находится в атмосфере водородной плазмы в течение примерно 30 минут, даже если метан исчерпан. Это называется алмаз с водородным окончанием.
*4 Газы, кроме O3 те, которые входят в состав выхлопных газов автомобилей. O3 генерируется фотохимической реакцией NOx и HC в выхлопных газах при получении ультрафиолета от солнечного света. Другими словами, каждый из 4 типов газов был отнесен к выхлопным газам автомобилей.
Как упоминалось ранее, для работы полупроводникового устройства необходимо наличие носителей. В настоящее время основным методом генерации носителей в алмазном полупроводнике является процесс терминации (процесс создания других атомов, таких как водород, связанными на поверхности алмазной пленки). В частности, терминальный процесс с использованием водорода считается наиболее осуществимым методом для практического применения. Это метод генерации носителей, который уникален для алмазов и не применяется для других полупроводников.
«Какова причина проведения электричества при контакте с воздухом?». Ответив на вопрос, который был у профессора Касу, когда он начал исследование, он смог выяснить тип неорганических молекул, которые могут эффективно индуцировать носители и данные, такие как концентрация. Эти открытия стали полезными ноу-хау для практического применения.
Самый высокий в мире рекорд по электричеству и напряжению
Результаты исследований для практических приложений начали заметно расти примерно с 2021 года. Во-первых, он изобрел полевой транзистор (FET) новой структуры. Сделав механизм таким, который почти не изнашивается, он обеспечивает более длительный срок службы устройства. Это также позволило достичь наивысшего уровня выходной мощности 179 МВт/см2 (по состоянию на апрель 2021 г.). Спустя полгода эти рекорды были возобновлены. Диаметр пластины стал 2 дюйма, а выходная мощность возросла до 345 МВт/см2. (по состоянию на сентябрь 2021 г.).
В следующем году алмазный полупроводник достиг выходной мощности 875 МВт/смXNUMX.2, выходное напряжение 2586 В (по состоянию на май 2022 г.). Эти значения являются самыми высокими мировыми рекордами для алмазов (*5). Статья профессора Касу была опубликована в журнале "Electron Device Letters" Института инженеров по электротехнике и электронике (IEE) с покрытием верхней страницы как статья по недавней теме. Кроме того, с оценкой этого результата алмазный полупроводник был выбран для награды за выдающиеся достижения в области полупроводниковых приборов "Полупроводник года 2023" ("Новости индустрии электронных устройств" Sangyo Times Inc.).
В 2023 году он провел проверку работы силовой цепи со встроенным алмазным полупроводником. Переключение происходило менее чем за 10 нс, что показало отсутствие проблем с динамическими характеристиками (апрель 2023 года). Также были протестированы непрерывные операции. Не было никаких ухудшений характеристик даже после 190 часов непрерывной работы. Эти усилия по практическому применению в поле зрения могли привести к движению по вовлечению людей вокруг него, как упоминалось в начале этого интервью.
*5 Этот рекорд по состоянию на апрель 2025 года по-прежнему остается самым высоким в мире.
Внедрение системы электронно-лучевой литографии и сканирующего электронного микроскопа для развития интегральных схем
В апреле 2024 года профессор Касу представил дорогостоящий инструмент — систему электронно-лучевой литографии. Естественно, это для разработки интегральной схемы (ИС). Его алмазные исследования вышли на стадию разработки ИС. Если говорить конкретно, то предполагается разработка микроволнового электрического усилительного устройства для космической связи, как упоминалось в начале.
Система электронно-лучевой литографии, которую он приобрел, была "JBX-8100FS" от JEOL Ltd. Ему также предложил более дешевый продукт другой производитель. Но профессор Касу посчитал, что "приобретение инструмента означает приобретение его технологии", и он отклонил это предложение. Система электронно-лучевой литографии будет использоваться исследователями, которые не знакомы с ее работой. Быстрая разработка невозможна без продукта с простым для понимания управлением, надежностью и хорошей технической поддержкой. JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований), его партнер по исследованиям, также с готовностью согласилось выделить большую часть бюджета на систему электронно-лучевой литографии.
В сентябре того же года он также представил еще один прибор JEOL. Сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией Шоттки "JSM-IT800 (i)". Он будет использоваться для подтверждения внутренней части полупроводникового прибора, например, его состава.
Транзистор для микроволновой печи, произведенный с использованием JBX-8100FS, был анонсирован на весеннем собрании JASP (Японского общества прикладной физики) 2025 года (пятница, 14 марта 2025 г., — понедельник, 17 марта 2025 г., кампус Нода, Токийский научный университет). Опубликованное изображение сделано с использованием JSM-IT800 (i).
На самом деле, не только Университет Сага продвигал практическое применение алмазных полупроводников. Несколько венчурных компаний поднимают руки, только в Японии. Поэтому «мы хотели бы реализовать исследование с чувством скорости» (проф. Касу). Профессор Касу надеется продвигать этот проект с чувством миссии, чтобы алмазные полупроводники могли развиваться как отрасль, рожденная в Саге, Япония.
Разработка микроволновых усилителей мощности для космической связи, которая совместно продвигается JAXA и колледжем Куре, вероятно, привлекает наибольшее внимание общества. Этот проект рассчитан на 5 лет с 2023 финансового года. К концу 2028 финансового года, когда проект будет завершен, устройство должно быть готово. О результатах сообщат газеты и т. д. До этого времени приборы и технологии JEOL продолжат свой вклад.
Макото Касу
Факультет электротехники и электроники, Университет Сага
1990 Присоединился к Nippon Telegraph and Telephone Corporation и вошел в состав основных исследовательских лабораторий. Занимаясь исследовательской деятельностью, он также играл роль лектора и исследователя в университетах Японии, Германии и Франции, JAXA, Институте космических и астронавтических наук.
2011 Профессор аспирантуры Университета Сага.
( https://www.sao.saga-u.ac.jp/admission_center/ouensite/research/01/ )
Размещено: июнь 2025 г.
информация о продукте
Система электронно-лучевой литографии серии JBX-8100FS
Автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп Шоттки JSM-IT800