Semikonduktor Berlian, Aplikasi Praktikal Hanya Sekitar Sudut
TEMUDUGA 14
Prof Makoto Kasu
Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Elektronik
Universiti Saga
Semikonduktor berlian telah menarik perhatian sebagai semikonduktor kuasa dan peranti frekuensi tinggi. Baru-baru ini, pergerakan telah dilihat, menunjukkan bahawa ia telah beralih daripada penyelidikan asas kepada aplikasi praktikal. Prof. Makoto Kasu, Universiti Saga telah terlibat dalam penyelidikan tentang aplikasi praktikal semikonduktor berlian. Kami menemu bualnya tentang ceritanya mengenai penyelidikan dan projek untuk aplikasi praktikal.
Semikonduktor yang sepadan dengan EV dan "Beyond 5G"
Penyelidikan Prof. Kasu mengenai semikonduktor berlian mula melibatkan orang di sekelilingnya.
Dia mula-mula mengumumkan bahawa dia akan mula membangunkan peranti penguat elektrik gelombang mikro untuk komunikasi angkasa lepas, dengan Agensi Eksplorasi Aeroangkasa Jepun (JAXA) dan Institut Teknologi Kebangsaan (KOSEN), Kolej Kure (Disember 2023). Matlamatnya adalah untuk memasang peranti itu dalam satelit ultra-kecil untuk demonstrasi lanjut di angkasa. Setahun selepas pengumuman itu, beliau mula bekerjasama dengan CTC (ITOCHU Techno-Solutions Corporation) mengenai penyelidikan ke arah pelaksanaan sosial semikonduktor berlian (Januari 2025). Selain itu, Prof Kasu bercadang untuk menubuhkan sebuah syarikat baharu yang dinamakan "Diamond Semiconductor" bagi mempercepatkan pergerakan itu. Dalam tahun fiskal 2026, beliau merancang untuk menghantar sampel semikonduktor berlian daripada syarikat baharu ini.
Semikonduktor berlian mendapat perhatian kerana ia menawarkan pelbagai potensi yang jauh melebihi silikon (Si), dan ia dijangka digunakan dalam bidang di mana silikon tidak sesuai.
Sebagai contoh, permintaan untuk semikonduktor kuasa yang mengawal elektrik, seperti kenderaan elektrik (EV) semakin meningkat. Walau bagaimanapun, ciri yang diperlukan ialah kekuatan pecahan dielektrik yang tinggi dan keupayaan untuk mengalirkan arus dengan mudah di kawasan yang terdapat pembawa (elektron bebas atau lubang).
Kekuatan pecahan dielektrik semikonduktor berlian adalah 33 kali ganda daripada silikon satu dan membolehkan arus elektrik yang besar di mana pembawa hadir. Dalam indeks untuk menunjukkan prestasi semikonduktor kuasa (tokoh merit Baliga), semikonduktor berlian mempunyai nilai yang lebih tinggi daripada silikon, serta semikonduktor kuasa generasi seterusnya silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN).
| Si | SiC | GaN | BERLIAN | Ciri semikonduktor berlian | |
|---|---|---|---|---|---|
| Jurang pancaragam | 1 | 2.9 | 3.0 | 4.9 | Beroperasi pada suhu 5 kali lebih tinggi |
| Kekuatan pecahan dielektrik | 1 | 9.3 | 16.6 | 33 | Beroperasi pada voltan 33 kali lebih tinggi |
| Kekonduksian terma | 1 | 3.8 | 1.2 | 17 | 17 kali lebih mudah untuk menghilangkan haba. Tiada kenaikan suhu. |
| Tokoh-tokoh Baliga: (BFOM) | 1 | 580 | 3,800 | 49,000 | Ciri peranti kecekapan tinggi dengan kuasa elektrik 50,000 kali lebih tinggi |
| Tokoh-tokoh Johnson: (JFOM) | 1 | 420 | 1,100 | 1,225 | Ciri peranti kuasa berkelajuan tinggi untuk 6G dengan kuasa 1,200 kali ganda. |
Sifat fizikal semikonduktor berlian (Bahan disediakan oleh：Prof. Kasu)
Selain itu, indeks yang menunjukkan kesesuaian peranti frekuensi tinggi (tokoh merit Johnson) juga tinggi. Oleh itu, penggunaannya dijangka di pangkalan telefon mudah alih "Beyond 5G (*1). Selain itu, semikonduktor berlian tahan sinaran dan penggunaannya untuk komunikasi dalam persekitaran angkasa lepas amat diharapkan.
Memandangkan penyelidikan semikonduktor berlian mula berkembang pada awal 1980-an, ia adalah bidang yang agak baru. Pencetusnya ialah kejayaan pertumbuhan epitaxial (*2) filem berlian di Jepun.
Ia direalisasikan oleh MPCVD (Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition), yang merupakan tindak balas gas bahan mentah metana dan hidrogen dalam plasma. Berlian tiruan dahulunya dihasilkan dengan menggunakan voltan tinggi (lebih kurang 50,000 tekanan atmosfera) seolah-olah mensimulasikan pertumbuhan berlian asli secara umum. Walau bagaimanapun, ia kini boleh dihasilkan dengan tekanan rendah (contohnya, 0.1 tekanan atmosfera). Institut Kebangsaan untuk Penyelidikan dalam Bahan Bukan Organik (ketika itu) (semasa: NIMS: Institut Sains Bahan Kebangsaan) telah menemui kaedah ini dan mengumumkan. Ramai penyelidik di Jepun dan di luar Jepun mula mengkaji berlian.
*1 Infrastruktur komunikasi maklumat generasi akan datang (6G) yang meningkatkan lagi prestasi sistem komunikasi mudah alih generasi ke-5. Penggunaan praktikal dijangka bermula sekitar 2030.
*2 Teknologi untuk mengembangkan filem nipis tunggal kristal baharu pada substrat kristal tunggal. Apabila kristal substrat dan kristal yang akan ditanam mempunyai pemalar kekisi yang sama, ia dipanggil pertumbuhan homoepitaxial, dan apabila mereka mempunyai pemalar kekisi yang berbeza, ia dipanggil pertumbuhan heteroepitaxial. Dalam semikonduktor berlian, pertumbuhan heteroepitaxial hampir selalu digunakan.
Peranti yang mengalirkan elektrik hanya pada waktu pagi dan petang
Prof. Kasu memulakan penyelidikan mengenai semikonduktor berlian di Makmal Penyelidikan Asas NTT mengemukakan soalan. Apabila filem nipis berlian yang ditanam oleh MPCVD (*3) dibiarkan di udara, kadangkala ia mengalirkan elektrik. Tetapi sebab untuk ini tidak difahami dengan jelas. Terdapat beberapa teori. Satu teori bahawa "ia disebabkan oleh air dan karbon dioksida (di udara)" malah diterbitkan dalam jurnal saintifik luar negara yang terkenal. Namun, apabila Prof Kasu merendam filem itu dalam air atau meniupnya, ia tidak mengalirkan elektrik seperti yang diharapkan. Apakah puncanya?
"Saya patut menyemaknya sendiri". Dengan itu, Prof. Kasu mencuba pelbagai gas yang terdapat di udara seperti nitrogen(N2), oksigen (O2), karbon oksida (CO2), dan argon (Ar). Tetapi tiada seorang pun daripada mereka menjalankan elektrik.
Pada suatu hari, dia perasan sesuatu yang pelik dalam nilai ukuran. Dia menggunakan voltan pada berlian untuk pemeriksaan sambungan elektrik dan membiarkannya selama lebih seminggu. Kemudian, dia mendapati arus elektrik yang besar mengalir sekitar jam 9 pagi dan 5 petang. Selalunya pukul 9 pagi dan 5 petang pada hari bekerja. Pada hari Sabtu dan Ahad, elektrik tidak mengalir. Apa yang sedang berlaku?
3PM. Sudah tiba masanya untuk minum teh, diketepikan oleh makmal penyelidikan. Penyelidik dari jabatan lain berkumpul seorang demi seorang, membawa teh dan kopi bersama mereka. Dia membawa topik "fenomena 9 hingga 5." Dia tertanya-tanya apa yang semua orang akan katakan. "Bolehkah ia nitrogen dioksida (NO2)?" Seorang wanita dari jabatan kimia mencadangkan.
TIDAK2 ialah gas yang terkandung dalam gas ekzos kereta. Jadi, kepekatannya meningkat semasa waktu perjalanan. Telah ditegaskan bahawa perubahan ini serupa dengan perubahan arus berlian. Jika kereta berulang-alik menjadi punca, ia juga selaras dengan fakta bahawa tiada arus pada hari Sabtu dan Ahad. Dia segera meminjam peranti untuk menjanaNO2 dan peranti untuk mengukurnya dan menjalankan eksperimen. Sudah tentu, arus mengalir.
Berikutan itu, beliau menyiasat sama ada gas lain boleh menghasilkan kesan yang sama dan mendapati ozon (O3), oksida sulfida (SO2), dan nitrogen monoksida (NO)(*4) juga mengalirkan elektrik. Ia dianggap bahawa gas-gas ini melekat pada permukaan, menyebabkan elektron bergerak dari terminal hidrogen ke molekul gas, dan menghasilkan pembawa pada permukaan berlian. Beliau juga menjalankan satu lagi eksperimen untuk melihat bagaimana ketumpatan pembawa berubah apabila jenis dan kepekatan gas diubah.
*3 Tepatnya, ia adalah filem nipis berlian dengan hidrogen terikat pada permukaan dengan disimpan dalam atmosfera plasma hidrogen selama kira-kira 30 minit walaupun metana habis. Ia dipanggil berlian yang ditamatkan hidrogen.
*4 Gas selain O3 adalah yang termasuk dalam gas ekzos kereta. O3 dihasilkan oleh tindak balas fotokimia NOx dan HC dalam gas ekzos dengan menerima ultraviolet daripada cahaya matahari. Dalam erti kata lain, setiap satu daripada 4 jenis gas itu dikaitkan dengan gas ekzos kereta.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, adalah perlu bahawa terdapat pembawa yang sedia ada dalam peranti semikonduktor untuk berfungsi. Pada masa ini, kaedah asas untuk menjana pembawa dalam semikonduktor berlian adalah proses penamatan (proses untuk membuat atom lain seperti hidrogen terikat pada permukaan filem berlian). Khususnya, proses terminal menggunakan hidrogen dikatakan sebagai kaedah yang paling sesuai untuk aplikasi praktikal. Ini adalah kaedah penjanaan pembawa yang unik dengan berlian, yang tidak dilakukan dengan semikonduktor lain.
"Apakah sebab untuk mengalirkan elektrik apabila terdedah kepada udara?". Dengan menghadapi soalan Prof. Kasu semasa dia memulakan penyelidikan, dia dapat menjelaskan jenis molekul tak organik yang boleh mendorong pembawa dan data seperti kepekatan dengan berkesan. Penemuan ini ditala untuk menjadi pengetahuan yang berfaedah untuk aplikasi praktikal.
Rekod Tertinggi Dunia dalam Elektrik dan Voltan
Hasil penyelidikan untuk aplikasi praktikal mula meningkat dengan ketara sejak kira-kira 2021. Pertama, beliau mencipta Transistor Kesan Medan (FET) bagi struktur baharu. Dengan membuat mekanisme kepada yang hampir tidak rosak memberikan jangka hayat peranti yang lebih lama. Ini juga mencapai kuasa keluaran tahap tertinggi iaitu 179MW/cm2 (sehingga April 2021). Enam bulan kemudian, rekod ini telah diperbaharui. Diameter wafer menjadi 2 inci, dengan peningkatan kuasa keluaran kepada 345MW/cm2. (setakat September 2021).
Pada tahun berikutnya, semikonduktor berlian mencapai kuasa keluaran 875MW/cm2, voltan keluaran 2586V (sehingga Mei 2022). Nilai ini ialah rekod tertinggi di dunia untuk berlian (*5). Kertas kerja Prof. Kasu telah disiarkan dalam jurnal "Electron Device Letters" IEE (Institut Jurutera Elektrik dan Elektronik) dengan meliputi halaman teratas sebagai kertas topik terkini. Di samping itu, dengan hasil ini dinilai, semikonduktor berlian telah dipilih untuk anugerah kecemerlangan dalam peranti semikonduktor "Semikonduktor tahun 2023" ("Berita Industri Peranti Elektronik" Sangyo Times Inc.).
Pada tahun 2023, beliau menjalankan pengesahan operasi litar kuasa dengan semikonduktor berlian terbina dalam. Pergerakan pensuisan adalah sepantas kurang daripada 10 ns, menunjukkan bahawa tiada masalah dalam ciri dinamik (April 2023). Operasi berterusan juga diuji. Tiada kemerosotan ciri walaupun selepas 190 jam operasi berterusan. Usaha-usaha ke arah aplikasi praktikal ini di hadapan mungkin telah membawa kepada pergerakan untuk melibatkan orang di sekelilingnya, seperti yang disebutkan pada awal wawancara ini.
*5 Rekod ini masih kekal sebagai rekod tertinggi dunia pada masa ini setakat April 2025.
Pengenalan sistem litografi rasuk elektron dan mikroskop elektron pengimbasan, ke arah pembangunan litar bersepadu
Pada April 2024, Prof. Kasu memperkenalkan instrumen mahal - sistem litografi rasuk elektron. Sememangnya, ini adalah untuk membangunkan litar bersepadu (IC). Penyelidikan berliannya datang ke peringkat untuk membangunkan IC. Untuk menjadi konkrit, pembangunan peranti penguat elektrik gelombang mikro untuk komunikasi ruang diandaikan, seperti yang dinyatakan pada permulaan.
Sistem litografi rasuk elektron yang dibelinya ialah "JBX-8100FS" dari JEOL Ltd. Dia juga ditawarkan produk kos lebih rendah oleh pengeluar lain. Tetapi Prof. Kasu berpendapat bahawa "untuk membeli instrumen adalah untuk membeli teknologinya", dan dia menolak tawaran itu. Sistem litografi rasuk elektron akan digunakan oleh penyelidik yang tidak biasa dengan operasinya. Pembangunan pantas tidak mungkin dilakukan tanpa produk dengan operasi yang mudah difahami, kebolehpercayaan dan sokongan teknikal yang baik. JAXA (Agensi Penerokaan Aeroangkasa Jepun), rakan penyelidiknya juga bersetuju untuk memperuntukkan sebahagian besar bajet kepada sistem litografi pancaran elektron.
Pada September tahun yang sama, beliau juga memperkenalkan satu lagi instrumen JEOL. Mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan Schottky "JSM-IT800 (i)". Ini akan digunakan untuk mengesahkan bahagian dalam peranti semikonduktor seperti komposisinya.
Transistor untuk gelombang mikro yang dihasilkan menggunakan JBX-8100FS diumumkan pada Mesyuarat Musim Bunga JASP (Japan Society of Applied Physics) 2025 (Jumaat, 14 Mac, 2025, hingga Isnin, 17 Mac 2025, di kampus Noda, Universiti Sains Tokyo). Imej yang disiarkan adalah yang diambil dengan menggunakan JSM-IT800 (i).
Sebenarnya, bukan sahaja Universiti Saga yang telah mempromosikan aplikasi praktikal semikonduktor berlian. Beberapa syarikat teroka mengangkat tangan mereka, di Jepun sahaja. Oleh itu, "kami ingin melaksanakan penyelidikan dengan pantas" (Prof. Kasu). Prof. Kasu berharap dapat mempromosikan projek ini dengan semangat misi supaya semikonduktor berlian dapat dibangunkan sebagai industri yang lahir di Saga, Jepun.
Pembangunan peranti penguat kuasa gelombang mikro untuk komunikasi angkasa lepas, yang sedang dipromosikan bersama dengan JAXA dan Kolej Kure, mungkin yang paling menarik perhatian masyarakat. Projek ini adalah selama 5 tahun dari fiskal 2023. Menjelang akhir fiskal 2028, apabila projek itu akan siap, peranti itu dijadualkan siap. Hasilnya akan dilaporkan oleh akhbar, dll. Sehingga masa itu, instrumen dan teknologi JEOL akan meneruskan sumbangannya.
Makoto Kasu
Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Elektronik, Universiti Saga
1990 Menyertai Nippon Telegraph and Telephone Corporation dan tergolong dalam makmal penyelidikan asas. Semasa terlibat dalam aktiviti penyelidikan, beliau juga memainkan peranan sebagai pensyarah dan penyelidik di universiti di Jepun, Jerman, dan Perancis, JAXA, Institut Angkasa Lepas dan Sains Astronautikal.
2011 Profesor Sekolah Siswazah, Universiti Saga.
( https://www.sao.saga-u.ac.jp/admission_center/ouensite/research/01/ )
Disiarkan: Jun 2025
Maklumat Produk
Sistem Litografi Rasuk Elektron Siri JBX-8100FS
Mikroskop Elektron Pengimbasan Pancaran Medan Schottky JSM-IT800