Diamond Foundryは2026年11月5日、直径200mmの単結晶ダイヤモンドの作製に成功したと発表した。同社は、この大きさの単結晶ダイヤモンドを作製したのは世界初としている。2023年に発表した100mm品から直径を2倍に拡大した一方、公開された写真に写っているのは成長直後の未研磨品であり、半導体製造に利用できる状態まで加工した200mm基板の出荷が始まったわけではない。
今回の成果で重要なのは、単に大きなダイヤモンドができたことではない。Diamond Foundryが発表したのは、小さな結晶を接合したものでも、多数の結晶粒からなる多結晶ダイヤモンドでもなく、直径200mmにわたって結晶構造が連続した単結晶だという点である。単結晶ダイヤモンドは極めて高い熱伝導率と電気絶縁性を兼ね備えており、発熱量が増大するAI半導体などの放熱材料として期待されている。
100mmから200mmへ、利用可能な面積は理論上4倍に
Diamond Foundryは2023年10月、直径100mm、重量110カラットの単結晶ダイヤモンドウエハーを発表していた。今回の200mm品は、その直径を2倍に拡大したものだ。円形の材料として比較すると、面積は約78.5cm²から約314cm²へと4倍になる。
この大口径化には、半導体製造における実用上の意味がある。従来の単結晶ダイヤモンドはサイズが限られていたため、大きな半導体チップに対応する放熱部材を切り出す場合や、複数の部材を同時に加工する場合に制約があった。原材料の面積が広がれば、同じ大きさの放熱部材をより多く取り出せる可能性がある。
ただし、面積が4倍になったからといって、実際に使用できる部材の数も4倍になるとは限らない。 結晶の外周部を除去する工程や、研磨による材料の損失、欠陥の分布などによって、利用可能な面積は変わる。今回の発表では、加工後の有効直径や結晶面内の欠陥密度、歩留まりなどの詳細なデータは公開されていない。
200mmは、半導体産業で広く使われてきた8インチウエハーと同じ直径でもある。このため、単結晶ダイヤモンドを既存の半導体製造技術と組み合わせるうえで重要な節目となる。ただし、材料の大きさが一致していても、シリコン向けの加工工程や装置をそのまま使用できるとは限らない。
AI半導体の冷却に期待、ただし材料の熱伝導率だけでは決まらない
Diamond Foundryが用途として重視しているのが、高性能半導体の放熱である。AI向けGPUなどでは、限られたチップ面積に大量の電力が集中し、局所的に温度が高くなるホットスポットが問題となる。こうした部分の温度を抑えることは、性能や信頼性の維持に欠かせない。
ダイヤモンドは銅やシリコンと比べて高い熱伝導率を持ち、熱を周囲へ拡散する材料として優れた特性を備えている。さらに電気絶縁性も高いため、半導体チップの近くに配置する放熱部材として有望視されている。Diamond Foundryも、単結晶ダイヤモンドを半導体の基板や冷却構造に組み込み、発熱密度の高いチップの性能と信頼性を改善することを目指している。
もっとも、材料そのものの熱伝導率と、完成した半導体パッケージの冷却性能は同じではない。チップとダイヤモンドの間にある接合層の熱抵抗が大きければ、材料本来の性能を十分に生かせない。また、ダイヤモンドが熱を効率よく広げられても、その熱を最終的に外部へ排出する冷却機構が不十分であれば、温度低減には限界がある。
したがって、今回の200mm品の作製成功を、そのままAI半導体の動作温度低下や消費電力削減につながる成果と解釈することはできない。実際の効果を判断するには、同じチップ、接合条件、冷却機構を使用し、ダイヤモンドの有無によって温度分布や熱抵抗がどの程度変化するのかを比較する必要がある。
25年間の研究成果、次の目標は300mm
今回の成果には、長年にわたる結晶成長技術の研究が関わっている。Diamond Foundryによると、Stefan Gsell氏とMartin Fischer氏は、大口径で高品質な単結晶ダイヤモンドを成長させる技術を約25年間にわたり研究してきた。両氏は2022年、Diamond FoundryによるAugsburg Diamond Technologyの買収に伴って同社に加わり、それまで培ってきた結晶成長技術を同社の製造設備や開発体制と組み合わせた。
200mm品の作製には、プラズマの制御、結晶成長時の化学反応、反応炉の設計、温度管理、計測技術など、多方面にわたる技術開発が必要だったという。Diamond FoundryのMartin Roscheisen CEOは今回の成果を、長年の研究と数多くの技術者の取り組みが結実したものと位置付けている。
Roscheisen氏は、200mm品の実現によって300mmの単結晶ダイヤモンドも見通せるようになったとの考えを示した。ただし、これは同氏による技術的な見通しであり、300mm品の作製成功や量産開始を発表したものではない。200mm品についても、量産開始時期や価格、顧客への供給条件は明らかにされていない。
今回の発表は、単結晶ダイヤモンドの大口径化という製造技術上の重要な進展だ。一方、半導体向け材料としての実用化を判断するには、加工後の基板品質と製造コスト、安定供給できる数量、実際のチップに組み込んだ際の冷却性能を確認する必要がある。今後は、200mmという結晶の大きさを、商用半導体に利用できる品質と生産性へつなげられるかが焦点となる。
