鄭州砥粒材料・工具最先端研究院、王光祖、華中ダイヤモンド工具製造有限公司、王允、河南伊格砥粒材料有限公司、秦瑜 / 論文
ダイヤモンドは優れた物理的、化学的、機械的特性を持つ材料である。過去数十年にわたり、ダイヤモンドの極めて高い硬度と優れた耐摩耗性は、機械、石油、切削工具、航空宇宙、半導体加工などの分野で、材料、研磨材、自動車部品などによく利用され、代替的な役割を果たしてきた。実はダイヤモンドは、エレクトロニクス、光学、熱力学、音響学などの分野でも優れた特性を発揮するが、これらの成果はまだ有効に開発されていない。
ダイヤモンド原子力電池の原型は、1913年にイギリスの物理学者ヘンリー・モーズリーが行った研究にまで遡ることができる。彼は、放射線による電流の発生を示す実験を実証した。1950年代から1960年代にかけて、航空宇宙産業はモーズリーの研究を宇宙船に応用し、長期間の電力を供給することを検討した。同時に、各企業は他の分野でも核検知電池や無線受信機の研究を進めていた。
しかし、これらの原子力電池には、安全性や導電性に関してまだいくつかの問題があった。その点、合成ダイヤモンドの出現は有望な解決策となる。ダイヤモンドは既知の物質の中で最も硬く、特殊な装置によって半導体を配置したり、支持したりすることができる。バッテリーのコアパワーは、核物質からのβ崩壊によって代替される。
β崩壊とは、原子核（陽子と中性子で構成）が陽子と中性子の比率を安定させるために余剰粒子を放出し、同時に多くのβ粒子（高エネルギーの電子または陽電子）を放出する過程である。このβ粒子が半導体物質を励起すると電流が発生し、電気エネルギーに変換される。しかし、β粒子はさまざまな方向から放出されるため、半導体に当たるのはごく一部となり、発電量や効率が低下する。
ダイヤモンド電池は、合成ダイヤモンドの製造に広く使われている化学気相成長（CVD）技術を利用している。研究者たちはCVDプロセスを調整し、同位体炭素14を含む希釈剤を加えて希釈ダイヤモンドを生成する。β線照射下での内部の核共鳴燃料は、長持ちする充電式バッテリーを提供することができる。
「炭素14が原料として選ばれたのは、それが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。ブリストル大学の研究チームは、このダイヤモンド電池（炭素14を1グラム含む）の発電量は数マイクロワットと低く、一般的な単三電池（サイズ5）よりもはるかに小さいと述べている。そのため、現在の用途はセンサーやペースメーカーのような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。
注目すべきは、英国のアーケンライト社がこのダイヤモンド・バッテリーの市場投入を準備していることだ。同社初のマイクロバッテリー製品は、2023年後半に発売される予定だ（Tencent News）。
この技術は、高出力のGaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）を効率的に冷却することができ、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、レーダーや無線通信などの長距離無線分野で応用されており、局地的な豪雨を観測する気象レーダーや、今後予定されている5Gミリ波移動通信プロトコルへの応用が期待されています。マイクロ波からミリ波帯の周波数を使用するレーダーや無線通信システムでは、送信に使用するGaN-HEMTパワーアンプの出力を上げることで電波の伝搬距離が延び、レーダーの観測範囲が広がり、より長距離・大容量の通信が可能になる。
炭化ケイ素（SiC）基板は比較的熱伝導率が高いが、高出力化が進むデバイスでは、デバイスから冷却構造へ効率よく熱を伝えるため、より熱伝導率の高い基板が必要となる。SiC基板の約5倍という優れた熱伝導率を持つ単結晶ダイヤモンドは、効率的な放熱材料と考えられています。
単結晶ダイヤモンドを冷却材料としてデバイスに接合するために、通常の製造工程では不純物を除去するためにアルゴン（Ar）ビームを使用します。しかし、このプロセスでは、表面に低密度の損傷層が形成され、単結晶ダイヤモンドが形成する可能性のある結合が弱まる可能性があります。さらに、接合にSiNのような絶縁膜を使用する場合、SiNの熱抵抗によって熱伝導率が低下する可能性があります。
富士通は、アルゴンビームがダイヤモンド表面に損傷層を形成するのを防ぐため、アルゴンビーム照射前に極めて薄い金属膜で表面を保護する技術を開発した。平坦な表面（室温での良好な接合）を確保するためには、金属膜の厚さを10ナノメートル以下に抑える必要がある。この技術により、アルゴンビーム照射後にダイヤモンド表面に損傷層が形成されるのを防ぎ、接合強度を向上させ、単結晶ダイヤモンドとSiC基板を室温で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パワー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、突然の大雨につながる積乱雲をより早く検知できるようになり、防災性能が向上すると期待されている（中時網）。
サーマルペーストはCPUとヒートシンクの間の充填材として極めて重要である。一般的なサーマルペーストの熱伝導率は10W/m・K程度である。アイネックスは、熱伝導率が最大17W/m・Kと、熱性能を2倍に高めたナノダイヤモンドサーマルペーストを発売した。このサーマルペーストのモデルはJP-DX2で、ナノテクノロジーで製造された高品質のダイヤモンド熱伝導材料を使用し、微細な分子構造を形成して優れた熱伝導性を実現するとしている。
これは何を意味するのだろうか。一般的なサーマルペーストの熱伝導率は10W/m・K未満がほとんどで、高品質のものでは10～13W/m・K程度に達するものもある。もちろん、最高の熱伝導率を誇るのはやはり液体金属で、70W/m・Kを軽く超え、中には100W/m・Kを超えるものもあり、これは通常のサーマルペーストの5～10倍に相当する。
JP-DX2サーマルペーストは、熱伝導率が2倍になるだけでなく、化学的安定性にも優れ、非腐食性、抗酸化性、無毒性で揮発しにくい。使用前に3年間保存でき、塗布後は4年間使用できます。使用温度範囲は-150℃～350℃と非常に広く、推奨温度範囲は-140℃～340℃と、CPU冷却に必要な温度範囲をはるかに超えています（ファスト・テクノロジー）。
米国のNIMSチームは、世界で初めてダイヤモンドの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）を開発した。この成果は、1枚の半導体基板上に複数のデバイスを集積した標準的な電子ICデバイスに代表される、環境耐久性に優れた相補型金属-酸化膜-半導体（CMOS）集積回路の開発にとって大きな意義がある。また、ダイヤモンドのパワーエレクトロニクスへの応用にとっても重要な一歩となる。
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強度（10MV/cm）、高キャリア飽和ドリフト速度、高熱伝導率（22W/cm-K）といった材料特性と、優れたデバイス品質因子を有しています。ダイヤモンド基板を使用することで、高温、高周波、高出力、耐放射線性の電子デバイスの開発が可能になり、自己発熱効果やアバランシェ破壊などの技術的ボトルネックを克服することができます。5G/6G通信、マイクロ波/ミリ波集積回路、検出、センシングなどの分野において、ダイヤモンド半導体の開発は極めて重要な役割を担っており、特に高温や高放射線のような過酷な環境下（例えば、原子炉の炉心付近）において、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。その結果、ダイヤモンド半導体は最も有望な新しい半導体材料として認識され、"究極の半導体材料 "と賞賛されています。
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、高温や強い放射線条件下でも動作する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最大限に活用し、環境安定性に優れた制御システムの集積化を実現するために、ハイパワーCMOS技術への期待が高まっています。CMOS集積回路の製造には、p型チャネルMOSFETとn型チャネルMOSFETの両方が必要です。
現在、ダイヤモンド半導体技術は比較的成熟していますが、ダイヤモンドのn型ドーピングは依然として世界的な課題となっています。長年にわたり、低抵抗のn型ダイヤモンド・ドーピングを実現するための適切な元素やドーピング技術を見出すために、理論計算や実験的手法が数多く研究されてきましたが、満足のいく結果は得られていません。その主な理由は、これまでの研究が主にシリコン単結晶のドーピング理論に基づいていたためです。使用される主な不純物元素は、ホウ素、リン、硫黄、リチウムなどであり、これらは単結晶ダイヤモンドや微結晶ダイヤモンド膜の成長過程で、あるいはイオン注入法によって取り込まれる。しかし、ドープされた膜の導電性は低く、電子移動度も低いため、電子デバイスへの使用には適さない。例えば、窒素はダイヤモンドの深準位不純物であり、室温での活性化エネルギーが1.7eVであるため、室温で十分なキャリアを供給することが難しい。リンはエネルギー準位がやや浅いが、室温での伝導性も弱い。リンがダイヤモンドに入り込むと、リン-空孔対を形成しやすくなり、リンの電子が放出されにくくなる。現在までのところ、適切なドナー不純物は見つかっていない。この観点から、新しいドーピング理論の開発は緊急の課題である（DT Semiconductor）。
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の分野で大きな進展を遂げた。研究チームは、多結晶ダイヤモンドの表面形状の課題を克服しただけでなく、厚膜GaNとの効率的な直接接合を室温で実現し、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への道を開いた。
研究チームは、先進的なDPP（Dynamic Plasma Polishing）技術を採用し、多結晶ダイヤモンド表面のピークの高さを1.2ナノメートルまで大幅に低減するとともに、粗さわずか0.29ナノメートルの滑らかな表面を実現した。これをベースに、表面活性化接合技術を組み合わせることで、厚さ370マイクロメートルのGaN基板と厚さ約660マイクロメートルの多結晶ダイヤモンド基板を室温で直接接合することに成功した。接合率は92.4%に達し、-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)の製造に大きな可能性を持つことから、大きな注目を集めている。ウェハー・ダイレクト・ボンディング技術は、その高い界面熱伝導率と低い熱応力の利点から、材料とデバイスの集積化において幅広い応用の可能性を示しています。しかし、この技術には極めて高い表面平坦度と粗さが要求され、これがさらなる発展を阻む重要な要因となっている。
現在、単結晶ダイヤモンドは、化学的機械研磨（CMP）技術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、大きなサイズの単結晶ダイヤモンドを成長させることが難しく、コストが高いため、その応用は限られています。一方、多結晶ダイヤモンドは、低コストでサイズが大きいなどの利点がありますが、表面形態が複雑で不均一であるため、CMP技術では直接接合の要件を満たすことが困難です。同時に、厚膜GaNは接合時の応力の問題に直面し、技術的な難易度をさらに高めている。
本研究で用いた動的入射角プラズマ研磨技術は、多結晶ダイヤモンドの表面形態の問題を解決する画期的なものである。この技術は、圧力を加えることなく多結晶ダイヤモンドを微細加工し、表面粗さとピーク高さを効果的に低減することができる。さらに、in-situシリコンナノ層堆積-アシストイオンビーム表面活性化接合法を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、接合率は92.4％であった。
研究チームはさらに、温度可変ラマン分光法を用いて、広い温度範囲にわたるGaN/ダイヤモンド接合界面の残留応力の変化を調べた。その結果、室温での接合界面は約200MPaの残留応力を示し、温度が上昇するにつれて界面応力は非対称な成長を示すことがわかった。これは主に、GaNとシリコンナノボンディングアシスト層の熱膨張係数（CTE）が類似しているためであり、ダイヤモンドとシリコンナノボンディングアシスト層のCTE差ははるかに大きかった。この非対称な応力分布は、界面の応力を解放する緩衝層としてのアモルファスシリコンナノ層の有効性をさらに裏付けている（China Superhard Materials Network）。
ロシアの科学者は、ダイヤモンドの吸着強度を高める方法のひとつに、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改善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重要な分野のひとつに、表面金属化がある。表面金属化によって、ダイヤモンドは本来の物理的・化学的特性を維持したまま、超伝導性、熱安定性の向上、濡れ性の向上といった新たな特性を持つようになる。第一に、大口径ダイヤモンド基板の合成が困難であること、第二に、金属接点とダイヤモンド表面との密着性が比較的低いことである。
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ある。これらの金属がカーボンと接触すると、金属炭化物の層が形成される。ニオブが選ばれた理由は、ダイヤモンド表面に化学的に安定した補強膜を形成できるからである。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、ニオブをダイヤモンド表面に付着させて熱処理を施すと、加熱過程で相転移が起こり、膜がNb₂Cに変化することを発見した。さらに1200℃以上に加熱すると、炭化ニオブが生成する。
炭化ニオブの安定した格子は、炭素欠陥（実験室の条件ではしばしば存在する）の密度に依存する。理論計算から、ダイヤモンド表面で炭化ニオブを合成すると、欠陥のない高品質の炭化ニオブに近い格子定数を達成できることが示唆された。炭化ニオブの超伝導特性は、1940℃の高温で超伝導転移が起こることを示しており、これは実験測定とほぼ一致する。また、実験的に得られた薄膜の品質が非常に高いことも示された。
他のニオブ基合金と比較して、今回得られた炭化ニオブ膜の欠陥密度が低いため、十分な電子拡散速度が得られることは注目に値する。この特性は、観測された超伝導特性とともに、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、得られた炭化ニオブ層が超伝導特性を示すことを確認した。
この膜をダイヤモンド表面にコーティングし、その高い熱伝導性を利用すれば、高感度検出器の開発につながる可能性がある。ダイヤモンドの高い熱伝導率は、信号を迅速に検出するのに役立ち、他の材料よりもはるかに高速になる（上海非鉄ネットワーク）。