金剛石半導體具有優于其他半導體材料的出色特性，因此被譽為“終極功率半導體”。基于業界長期的研發活動，如今金剛石半導體已經開始逐步邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長的時間，不過已經有報道指出，最快在數年內，將會出現金剛石材質的半導體試作樣品。業界對金剛石半導體的關注程度越高，越易于匯集優勢資源、加速研發速度。

       由日本的研發機構引領的金剛石半導體

       筆者以往曾寫過關于金剛石半導體的文章，下面我們再次回顧一下其特點。如下表所示，金剛石在禁帶寬度(Band Gap)、電子遷移度、熱傳導率等諸多方面遠遠出色于其他半導體材料。與已經實現商用的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）相比，金剛石具有出色的特性，因此被譽為“終極半導體材料”。此外，由于金剛石材料具有較好的抗輻射性，因此也有望被應用于還未推廣使用半導體的太空領域。另外，不僅是半導體，金剛石也可應用于量子傳感器。隨著量子計算機研發活動的推廣，越來越多的大學和研發機構在推進金剛石的研發。

       主要是日本的研發機構在引領金剛石半導體的研發工作。在1980年一一2000年期間，日本無機材質研究所（如今的“NIMS”）、日本產業技術綜合研究所（以下簡稱為：“產總研”）創造了諸多成果，如結晶合成法、制作了p型半導體、n型半導體等。尤其是日本產綜研的研發內容一應俱全，如金剛石結晶的生長、晶圓的制造、二極管和晶體管等元件的研發，即使是今天，產綜研的研發水平也是首屈一指。不過，迄今為止的研發活動都是僅限于實驗室內的驗證工作，并且并未研發出可用于電子線路、設備的實際半導體。

       筆者依據產綜研的資料制作了上表。

       （表格出自：電子Device產業新聞）

       晶圓廠家的進步促進研發

       金剛石半導體研發被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過小，無法滿足需求。產總研下屬企業一一EDP株式會社（日本大阪府豐中市，以下簡稱為：“EDP”）自2009年創業之初就以擴大晶圓尺寸為使命，長期以來在半導體行業一直默默無聞、研發新技術，以促進企業增長。

       企業狀況的好轉源于寶石(鉆石)市場的興起。作為飾品的鉆石，一般以天然鉆石受人們歡迎，而人造鉆石的價值較低。在2015年一一2019年期間，大型鉆石廠家賦予人工鉆石以高昂的價值，從而使飾品類人工鉆石的市場迅速擴大。而EDP公司的單晶金剛石作為晶種，需求驟增，成為了企業增長的“催化劑”。因此，2022年EDP成功上市，并獲得了可以保證半導體晶圓研發的資源基礎。

       由于全球經濟情況直接影響用作飾品的金剛石市場，因此EDP公司近期的業績一直低迷。但是，中長期來看，考慮到發展中國家的環境保護問題、勞動者權利保護問題等因素，天然鉆石轉為人工鉆石這一趨勢是不會變化的，EDP公司作為半導體方向金剛石的支撐性企業，其地位會越來越重要。

       此外，Orbray株式會社（總部：日本東京都足立區，2023年1月更名為“Orbray”，中文名：奧比睿有限公司，以下簡稱為：“Orbray”）也在積極推進金剛石材質的晶圓業務。“Orbray”研發了一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產方法，如今已經成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標是未來生產出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導體應用方向外，“Orbray”還在利用其它生長方法研發用于量子計算機的超高純度晶圓，并以實現商用為目標。

       “Orbray”研發的2英寸金剛石晶圓。

       （圖片出自：電子Device產業新聞）

       半導體晶圓的研發工作、擴充產能工作目前都處于發展階段，“與以往相比，現在更容易獲得用于研發的晶圓”（金剛石半導體研發技術員）。如今，如果某位研究員對研發型晶圓抱有興趣，即可輕松獲得實物，與以往相比，已有明顯的進步。

       越來越多的單位在推進金剛石半導體的實用化

       如今，已經有越來越多的單位正在將金剛石半導體從研發階段推向實用化。日本佐賀大學的嘉數誠教授已經對研發金剛石半導體研發了二十多年。大概五年前，嘉數誠教授了解到“Orbray”的金剛石晶圓，并認識到可以用作研發，從此雙方開啟了共同研發之路。2022年5月，雙方利用2英寸晶圓，研發出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達2568V的半導體。就此次研發成果而言，作為金剛石半導體其性能首屈一指，而且，從半導體的性能來看，僅次于美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，簡稱為：“MIT”）利用氮化鎵（GaN）實現的成果。

       嘉數誠教授認為，必須要把對半導體的驗證工作從研發階段推向實用階段，并提出了五年內研發出金剛石晶體管的目標。此外，嘉數誠教授還在和封裝（Packaging）、鍵合（Bonding）等周邊技術相關的企業共同推進研發，同時也在測定晶體管的壽命、以驗證其長期信賴性。此外，嘉數誠教授還計劃通過試做功率電子線路，以驗證其工作情況。

       此外，日本產總研也在有效利用其長期積累的“一條龍”式（從結晶生長、晶圓加工，到制成芯片）的技術經驗，以推進芯片的實用化。其目標是利用大面積芯片（Chip）實現現有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時“兩手抓”。

       2022年8月，誕生了一家以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業，即日本早稻田大學下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標是把金剛石半導體行業的先驅一一川原田洋教授的研發成果推向實用化。

       川原田教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發了金剛石場效應晶體管（FET），并為業界熟知。川原田教授的研發成果成為了PDS公司的核心技術，但PDS公司還計劃與外部企業合作共同進一步進行研發，而不是單純的“閉門造車”。PDS計劃諸多企業（如晶圓廠家、功率半導體廠家、電氣設備廠家等）、大學、研發機構合作，以實現金剛石半導體的實用化。PDS的目標是構筑一個從材料、芯片，到系統的完整生態系統，以實現該司成為業界“主角”的目標。

       嘉數誠教授研發的全球性能最高的金剛石半導體。

       （圖片出自：電子Device產業新聞）

       雖然PDS公司剛成立半年之余，已經與日本國內諸多大型企業、研發機構構筑了良好的合作關系。并且計劃在數年內發布試作品，然后在1年一一2年后研發功率電子線路相關的系統。

       能否與大企業合作是實現實用化的關鍵所在

       針對金剛石半導體的實用化和潛力，PDS的首席執行官(CEO)一一藤島辰也先生表示：“日本有很多企業在功率半導體、高頻元件等領域擁有豐富的生產實績”。接下來的任務是能否與大型企業展開合作。不過令人遺憾的是，從以往的研發過程來看，企業方面似乎不是很積極參與。有研究人員表示：“在學會等研發成果發布會現場，企業的工程師表現出了極大的興趣，但是這都與業務沒有直接聯系。”真要實際實現商業化，至少還需要十年左右的時間，且研發成果也無法直接、迅速地帶來利潤，因此企業才一直猶豫不決。但是，僅靠大學和研發機構是無法實現真正的社會面應用的。

       此外，海外企業的研發速度之外著實令筆者驚訝。在筆者的采訪中曾發現，針對日本研發人員的研發項目，臺灣地區、中國大陸地區企業研發人員提出了合作研發的申請。面對當下嚴峻的地政學風險，日本的研發人員應該謹慎對待與海外的合作。不過，由于日本企業不愿意關注，借助海外企業的力量推進研發也是不可避免的。

       與已經實現實用化的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等半導體相比，金剛石半導體在社會面、國家層面的關心程度都不夠高。正是因為日本國內已經有數家單位開始為推進金剛石半導體的實用化而邁出關鍵的一步，作為政府和企業更應該盡快行動。