佐贺大学开发出世界上首个金刚石半导体电路

日本佐贺大学研究人员嘉数誠等开发了世界上第一个使用金刚石半导体器件的功率电路，这是终极的下一代功率半导体。 金刚石半导体功率电路表现出不到10纳秒的高速开关动作，并且在190小时的长期连续工作中没有观察到特性劣化。随着碳中和的实现，将有可能大幅提高因通信量巨大而急需开发的超越 5G基站的输出，并实现仍然使用真空管实现通信卫星的半导体转换。

与传统的硅、碳化硅、氮化镓相比，金刚石半导体在散热、耐电压、抗辐射等方面具有更优越的性能，不仅在地面上，在太空中也能稳定运行。去年，佐贺大学在金刚石大直径化和半导体器件周边技术进步方面取得进展，制作出下一代功率半导体金刚石半导体器件，并公布了世界最高输出功率和输出电压。然而，为了将功率半导体投入实际使用，需要制作功率半导体电路并展示开关特性和长期连续特性等动态特性。这一结果表明金刚石半导体制成的功率电路的动态特性没有问题，我们将加快研发以实际应用。这些成果将以两篇论文的形式发表在全球最权威期刊美国电气和电子工程师协会（IEEE）的Electron Device Letters上。

<新型金刚石半导体器件的特点>

・具有极限功率半导体物性的金刚石半导体

・开发金刚石半导体器件用电源电路

・利用金刚石半导体功率电路实现10纳秒以下的高速开关动作

・连续工作190小时无劣化的金刚石半导体电源电路

・Beyond5G移动基站和电动汽车电源控制设备的理想选择

半导体器件必须在电路中运行。 在金刚石晶片上制造的金刚石半导体器件使用金线在电极和印刷电路板之间进行引线键合。此外，还可以测量对实际应用很重要的开关特性和寿命测试等动态特性。

当开发的金刚石半导体功率电路高速运行时，开关时间为导通时间 9.97 ns（十亿分之一秒）和关断时间 9.63 纳秒。高速开关操作被确认为世界上第一次。开启损耗为 55.1 pJ，关闭损耗为 153.2 pJ。 这显示了金刚石电源电路如何具有低能量损失和高效率。

用开发的金刚石半导体电源电路进行了长期连续测量。 连续测量 190 小时后，未观察到特性劣化。 在运行过程中，输出电流值逐渐增大，输入电流值也随之增大。