王光祖（鄭州砥粒・研削研究所）、
王雲（中国中央ダイヤモンド工具製造有限公司）、
秦宇（河南鷹砥粒有限公司）
ダイヤモンドは優れた物理的、化学的、機械的特性を統合した材料である。過去数十年にわたり、その卓越した硬度と優れた耐摩耗性が広く利用され、機械、石油、自動車、航空宇宙、半導体加工などの産業において、研磨材、研削工具、切削工具の形で広く応用され、かけがえのない役割を果たしている。実はダイヤモンドは、電気的、光学的、熱的、音響的な特性にも優れており、これらの特性はまだ十分に解明・開発されていません。
ダイヤモンドは、超広帯域バンドギャップ、極めて高い絶縁破壊電界強度、高い電子・正孔移動度などの優れた電気的特性を有しており、究極の半導体として有望視されている。音響的には、ダイヤモンドは既知の物質の中で最も高い表面弾性波速度と極めて高いヤング率を特徴とする。光学的には、遠赤外線から紫外線領域（バンドギャップエネルギー以下）の光子に対して透明である。熱伝導率では、ダイヤモンドは銅を上回ります。これらの特性により、ダイヤモンドは分野横断的な応用に大きな可能性を秘めています。
原子力電池の原型は、放射線を用いて電流を発生させるプロセスを実証したイギリスの物理学者ヘンリー・モーズリーの1913年の実験にまで遡ることができる。1950年代から1960年代にかけて、航空宇宙産業は長期的な電力供給を改善するために、モーズリーの研究を宇宙船に応用することを検討した。当時、ラジオ受信機のような機器に原子力電池を使用することを研究していた企業もあった。
しかし、この種の原子力電池は、安全性と電気伝導性の点でまだ限界があった。この点で、合成ダイヤモンドの登場は有望な解決策となった。ダイヤモンドは、既知の材料の中で最も硬いもののひとつであり、特殊なプロセスによって、放射性物質として、あるいは半導体として機能するように設計することができる。
原子力電池は、核廃棄物のベータ崩壊によって電力を供給する。ベータ崩壊は、放射性原子核（陽子と中性子で構成）が安定した陽子対中性子比になろうと過剰な粒子を放出し、その過程で大量のベータ粒子（高エネルギーの電子または陽電子）を放出することで起こる。
ベータ粒子が半導体材料に衝突すると電流が発生し、利用可能なエネルギーに変換される。しかし、ベータ粒子はランダムな方向に放出されるため、半導体に衝突できる数は限られており、その結果、エネルギー出力は低く、効率も限られる。
放射性ダイヤモンド電池は、化学気相成長法（CVD法）を用いて製造される。研究者たちは、炭素14同位体を含む放射性メタンを導入することでCVDプロセスを改良し、放射性ダイヤモンドを製造した。埋め込まれた核廃棄物が燃料源として機能し、ベータ線照射下では、充電の必要なく長期間のエネルギー出力が可能になる。
「炭素14が選ばれたのは、短距離放射線を放出し、どんな固体物質にもすぐに吸収されるからです」とニール・フォックス教授は説明する。
しかし、ブリストル大学の研究チームは、1グラムの炭素14を含む放射性電池の出力はわずか数マイクロワットであり、一般的な単三電池よりかなり小さいと指摘している。そのため、現在の用途はセンサーやペースメーカーなどの小型で低消費電力の機器に限られており、ノートパソコンやスマートフォンにはまだ適していない。
ブリストルの研究チームが開発した放射性ダイヤモンド電池は、イギリスのアーケンライト社が商品化に向けて準備を進めていることは注目に値する。同社初の小型バッテリー製品は、2023年後半に発売される予定である。(出典：テンセントニュース）
この冷却技術により、大電力GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の熱を効率的に放散することができ、パワーアンプを高出力レベルで安定動作させることができる。
高周波GaN-HEMTパワーアンプは、すでにレーダーや無線通信の長距離無線伝送に応用されている。また、局地的な豪雨を観測するための気象レーダーシステムや、新たに登場する5Gミリ波通信プロトコルでも使用されることが期待されている。マイクロ波からミリ波の周波数帯で動作するレーダーや無線システムでは、信号伝送に使用されるGaN-HEMTパワーアンプの出力電力を増加させることで、電波の伝送範囲を広げることができる。これにより、レーダーの観測範囲を大幅に広げ、通信の容量と到達範囲を向上させることができる。
炭化ケイ素（SiC）基板は比較的熱伝導率が高いが、出力が増大するデバイスでは、熱を効果的に冷却構造に伝えるため、さらに優れた熱性能を持つ基板が必要となる。SiCの5倍近い熱伝導率を持つ単結晶ダイヤモンドは、高効率な熱管理材料として認められています。
単結晶ダイヤモンドを冷却用デバイスに接合するために、従来の製造プロセスでは、アルゴン（Ar）イオンビームを使用して表面の不純物を除去している。しかし、この場合、表面に低密度の損傷層が形成されることが多く、単結晶ダイヤモンドの接合強度が弱くなります。さらに、接合にSiNなどの絶縁膜を使用する場合、SiN層によって熱抵抗が生じ、全体的な放熱性能が損なわれる。
富士通は、Arイオンビーム照射によるダイヤモンド表面の損傷層の形成を防ぐため、イオンビーム処理前に極薄金属膜で表面を保護する技術を開発した。表面の平坦性（室温での効果的な接合に不可欠）を確保するためには、金属膜の厚さを10nm以下に抑える必要がある。
この方法により、Arビーム照射後の損傷層の形成が防止され、接合強度が向上し、単結晶ダイヤモンドを室温でSiC基板に接合できることが実証されている。
その結果、この技術を用いて、より高出力のGaN-HEMTパワーアンプを製造することができる。GaN-HEMTアンプを気象レーダーなどのシステムに応用すると、レーダーの観測可能距離が1.5倍に延びると期待されている。この改善により、突然の豪雨をもたらす積乱雲をより早く検知できるようになり、防災態勢が強化される。
(出典：中国自動化網）
CPUとヒートシンクの間の熱インターフェース材料として、サーマルグリースは放熱に重要な役割を果たす。従来のサーマルグリースの熱伝導率は通常10W/(m・K)程度である。アイネックス社は、熱伝導率が最大17W/(m・K)のナノダイヤモンドサーマルグリースを発表し、放熱性能を実質的に2倍に高めた。また、350℃までの高温でも安定性を維持する。
このサーマルグリース、モデルJP-DX2は、ナノテクノロジーに基づく高品質のダイヤモンド熱伝導性材料を使用して製造され、微細な分子構造を形成することで、17W/(m・K)に達する優れた熱伝導性を実現するとしている。
これは実際には何を意味するのだろうか？一般的なサーマルグリースの熱伝導率は10W/(m・K)以下で、その多くは7～8W/(m・K)である。高品質のものは10～13W/(m・K)に達することもある。現在、最も優れた性能を持つ熱インターフェース材料は液体金属であり、70W/(m・K)を容易に超え、100W/(m・K)を超えるものもある。
ナノダイヤモンドサーマルグリースは、熱伝達能力を実質的に2倍にします。CPUとヒートシンクの間の重要なインターフェイスとして、このタイプのサーマルグリースは冷却効率を大幅に向上させます。
優れた熱伝導性に加え、JP-DX2グリースは化学的安定性にも優れています。保存可能期間は使用前3年、使用後4年です。動作温度範囲も非常に広く、-150 °Cから350 °C、推奨使用範囲は-140 °Cから340 °Cで、一般的なCPU冷却システムの熱要求をはるかに超えている。
(出典：ファスト・テクノロジー）
米国の物質・材料研究機構（NIMS）の研究チームは、ダイヤモンドベースのn型チャネルで駆動する金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を世界で初めて開発した。この画期的な成果は、従来の集積回路（IC）に代表されるモノリシック集積（1枚の半導体基板に複数のデバイスを集積すること）にとって重要な意味を持つ。また、ダイヤモンドを使用した環境的に堅牢な相補型金属-酸化膜-半導体（CMOS）集積回路の実現や、ダイヤモンドのパワーエレクトロニクスへの応用を前進させる上で、重要な一歩となります。
ダイヤモンド半導体は、超広帯域バンドギャップ（5.45eV）、高ブレークダウン電界（10MV/cm）、高キャリア飽和ドリフト速度、優れた熱伝導率（22W/cm-K）などの優れた材料特性と、優れたデバイス品質係数を有しています。ダイヤモンドを基板とすることで、高温、高周波、高出力、耐放射線条件下で動作する電子デバイスを開発することが可能となり、自己発熱やアバランシェ破壊などの技術的ボトルネックを効果的に克服することができる。ダイヤモンド半導体は、5G/6G通信システム、マイクロ波/ミリ波集積回路、検出・センシング技術の開発において重要な役割を果たしている。特に、原子炉の炉心付近の高温や高放射線環境といった過酷な条件下で、ダイヤモンド半導体は卓越した性能と信頼性を発揮します。そのため、ダイヤモンド半導体は次世代半導体材料として最も有望視され、世界的に「究極の半導体材料」の称号を得ています。
近年、ダイヤモンドの成長技術、パワーエレクトロニクス、スピントロニクス、高温・高放射線下で動作可能な微小電気機械システム（MEMS）センサーの進歩に伴い、ダイヤモンドCMOSデバイスをベースとした周辺回路のモノリシック集積化の需要が高まっています。ダイヤモンドの優れた特性を生かし、安定性の高い環境制御システムの集積回路を実現するために、CMOSのハイパワー化が切望されています。しかし、CMOS集積回路の作製には、p型とn型のチャネルMOSFETが必要である。
現在、ダイヤモンド半導体の製造は比較的成熟した段階に達していますが、 ダイヤモンドへの n型ドーピングの実現は依然として世界的な大きな課題となっています。何年もの間、研究者たちは、 理論シミュレーションと実験的アプローチの両方を通じて、低抵抗 n型ダイヤモンドを実現するための適切なドーパント元素と方法を探求して きたが、その成功は限られたものであった。その主な理由は、初期の研究のほとんどがシリコン単結晶のドーピング理論に基づいており、ダイヤモンドには効果的に適用できなかったことにある。
主な不純物元素としては、ホウ素、リン、硫黄、リチウムなどが検討されている。これらは、単結晶あるいは微結晶ダイヤモンド膜の成長中あるいはイオン注入によって導入されてきた。しかし、得られた膜は一般に電気伝導性が低く、電子移動度が低いため、電子デバイスへの使用には適さない。例えば、窒素は室温で1.7eVの活性化エネルギーを持つ深準位の不純物をダイヤモンド中に形成し、自由キャリアの利用を著しく制限する。リンはエネルギー準位が浅い反面、室温でのキャリア伝導性が弱い。ダイヤモンドに取り込まれると、リンは容易にリン-空孔錯体を形成し、自由電子の放出を妨げる。現在までのところ、適切なドナー不純物は同定されていない。
この観点から、ダイヤモンド半導体に特化した新しいドーピング理論の開発が急務である。
(出典：DTセミコンダクター）
中国科学院マイクロエレクトロニクス研究所のLiu Xinyu氏率いるチームは、厚膜GaNと多結晶ダイヤモンドの直接接合技術で大きな進歩を遂げた。彼らは、多結晶ダイヤモンドの表面形態という課題を克服しただけでなく、厚膜GaNと室温で高効率の直接接合を実現し、ウェーハレベルの多結晶ダイヤモンド接合技術の開発と応用に新たな道を開いた。
研究チームは、先進のダイナミック・プラズマ研磨（DPP）技術を用いて、多結晶ダイヤモンドの表面アスペリティの高さを1.2nmまで大幅に低減し、粗さわずか0.29nmの超平滑表面を実現した。これに基づき、表面活性化接合法を用いて、厚さ370μmのGaN層を厚さ660μmの多結晶ダイヤモンド基板に室温で直接接合することに成功した。接合収率は92.4%に達し、この構造は-55℃から250℃までの広い温度範囲で安定に動作する。
近年、GaN/ダイヤモンド異種集積技術は、高信頼性・高電力密度のGaN系高電子移動度トランジスタ(HEMT)の作製に大きな可能性を持つことから、広く注目を集めています。利用可能な手法の中でも、ウェハ直接接合は、高い界面熱伝導率と低い熱応力という利点のために際立っており、材料とデバイスの統合における有望な応用を示しています。しかしながら、表面の平坦性と粗さに関する極めて厳しい要件が、さらなる進歩への重要な制限となっている。
単結晶ダイヤモンドは、化学的機械研磨（CMP）によって低い表面粗さと高い平坦度を達成することができますが、大型の単結晶ダイヤモンドを成長させることの難しさとその高コストが、実用化の妨げとなっています。一方、多結晶ダイヤモンドは、低コストでサイズが大きいという利点がありますが、複雑で不均一な表面形状を持つため、CMPによる直接接合の要求を満たすことが困難です。一方、厚膜GaNは接合時に応力の問題も発生し、技術的な難易度をさらに高めている。
ダイナミックアングルプラズマ研磨技術の使用は、多結晶ダイヤモンドの表面形態の課題を解決する画期的なものです。この技術により、圧力を加えることなく多結晶ダイヤモンドの精密な表面処理が可能になり、表面粗さとピーク高さの両方を大幅に低減することができます。研究チームは、シリコンナノ層を用いたin-situイオンビーム表面活性化接合法と組み合わせることで、厚膜GaNと多結晶ダイヤモンドの異種接合に成功し、92.4％という高い接合率を達成した。
研究チームはさらに、可変温度ラマン分光法を用いて、GaN/ダイヤモンド接合界面の残留応力変化を広い温度範囲で調べた。その結果、室温では約200MPaの残留応力が存在し、界面応力は温度によって非対称に増加することがわかった。これは主に、GaNとシリコンナノレイヤーの熱膨張係数（CTE）が類似していること、ダイヤモンドとシリコンナノレイヤーのCTEミスマッチが大きいことに起因する。この非対称な応力分布は、アモルファスシリコンナノレイヤーが応力緩和の緩衝材として有効であることをさらに裏付けている。
(出典：中国超硬材料ネットワーク）
ロシアの科学者は、ダイヤモンドの接着特性を高める効果的な方法のひとつに、タングステンを使ってダイヤモンドと遷移金属との結合を強化する方法があることを発見した。ダイヤモンド技術研究の主な焦点は、ダイヤモンド表面の金属化である。この金属化によって、ダイヤモンドは超伝導、熱安定性の向上、濡れ性の改善、本来の物理的・化学的特性の維持といった新たな特性を発揮する。
しかしながら、ダイヤモンドは、大粒径のダイヤモンド基板を合成することが困難であることと、金属接点とダイヤモンド表面との密着性が低いという2つの重要な制限に直面している。
ダイヤモンドを金属化する最も効果的な方法の一つは、チタン、クロム、タンタル、ジルコニウムなどの金属と焼結することです。これらの金属は、炭素との接触により金属炭化物の層を形成する。この研究では、ダイヤモンド表面に化学的に安定で強化された薄膜を形成できるニオブを選択した。研究者たちは、ダイヤモンド表面に超伝導体を作ろうと試み、ニオブを表面に蒸着して加熱すると、相変態が起こることを発見した。加熱すると膜はNb₂Cに転移し、さらに1200℃以上に加熱すると炭化ニオブ（NbC）が形成される。
炭化ニオブの安定した結晶構造は、炭素欠陥の密度に依存する。理論計算から、ダイヤモンド表面でNbCを合成すると、欠陥のない材料に近い格子定数を持つ高品質の炭化ニオブが得られることが示された。NbCの超伝導特性に関する計算から、1940℃付近で超伝導相転移が起こることが示唆され、これは実験測定とほぼ一致する。この結果は、生成されたニオブ薄膜の品質が非常に高いことも示している。
特筆すべきは、他のニオブ基合金と比較して、得られたNbC薄膜は十分な電子拡散性を維持しながら低い欠陥密度を示していることである。この特性は、観測された超伝導と相まって、電子検出デバイスの開発に実用的な意味を持つ。研究者らは、合成したNbC層が超伝導特性を示すことを確認した。
ダイヤモンド表面をこのような薄膜で覆い、ダイヤモンドの高い熱伝導性を利用することで、超高感度検出器の開発が可能になる。ダイヤモンドの優れた熱伝導は、信号検出に大いに役立ち、他の材料よりもかなり速い応答を提供する。
(出典：上海金属市場）