金沢大学 超然プロジェクト×先魁プロジェクト

異分野融合型

革新的省エネルギーデバイスの創製

プロジェクト代表者 
徳田 規夫
所属組織・役職等 
理工研究域 電子情報学系・准教授
研究分野 
Engineering, Electrical & Electronic(工学、電気電子), Engineering, Environmental(工学、環境); Physics, Applied(物理学、応用); Materials Science, Multidisciplinary(物質科学、総合)
パワーデバイス、プラズマ、ダイヤモンド、半導体、結晶成長
Power device, Plasma, Diamond, Semiconductor, Crystal growth

世界中でエネルギー需要が年々増しており,エネルギー資源の確保はどの国においても極めて重要な課題です。エネルギー問題は地球温暖化とも関係しており,省エネルギー化に向けた取り組みは今後益々重要になってきます。
シリコンを中心とした半導体技術は,集積回路からパワーデバイスまで幅広く応用され,高度な情報化社会の構築だけでなく,エアコンやハイブリッド車の省エネルギー化に大きな役割を果たしてきました。しかし,シリコン半導体は,何れの分野でも性能の限界を迎えつつあり,特にパワーデバイス開発では,より高度な省エネルギーの達成が求められています。本プロジェクトでは,ダイヤモンドがもつ優れた物性に着目し,ダイヤモンドを利用した次世代パワーデバイスの開発を進めます。

ダイヤモンドを用いた新たなパワーデバイス開発
シリコンの後継となりうる新規半導体材料の研究が進められており,その候補には,SiC(炭化ケイ素),GaN(窒化ガリウム),ダイヤモンドがあります。中でも,ダイヤモンドは最も省エネ効果が期待できる究極のパワーデバイス半導体材料です。その理由としては,最高の絶縁破壊電界と高キャリア移動度により超低損失パワーデバイス実現が可能であること,5.5eVのワイドバンドギャップと物質最高の熱伝導率,高い耐熱性により,高温動作が可能となるため,冷却装置のフリー化が期待できる点などが挙げられます。実際,物性から予測されるパワーデバイス性能指数は,シリコンと比べて,約52,000倍と最も高い値を示しています。
本プロジェクトでは,半導体ダイヤモンドウェハとそれを用いたダイヤモンドデバイスの開発を柱として,ダイヤモンドを素材としたパワーで半導体の基礎から応用までの研究開発を行います。

高品質ダイヤモンドの高速成長技術を核としたデバイス開発
本プロジェクトでは,低消費電力が実現できるパワーエレクトロニクス素子(大電力工学素子)の開発を目的としています。この技術が確立できると,電力系統の低損失化,自動車,電車や新幹線などの輸送機関の低損失化など広い分野に応用ができます。
これまでの研究で,デバイス開発に必要な要素技術の開発に取り組み,優れた成果を上げてきました。例えば, CVD(化学気相蒸着)単結晶ダイヤモンド(111)基板の開発,ホウ素δドープダイヤモンド構造の形成技術の確立,完全に原子レベルで平坦なダイヤモンド表面(ステップフリー表面)の形成に,世界で初めて成功しています。このダイヤモンド半導体技術を中核とし,プラズマプロセス,電子・光デバイスについて,それぞれの研究者が共同研究を進めることで,プロジェクトの目的達成を目指します。
こうした先進的な取り組みは,単独で進めるのみでは飛躍的な進展は望めません。研究人口の増加は,研究の多面的かつ躍進的発展に欠かせない要素です。しかし,ダイヤモンド結晶の作成には依然としてコストがかかり,これが,ダイヤモンド半導体研究への参入の足かせとなっています。そこで本プロジェクトでは,ダイヤモンドの結晶成長の低コスト化・大面積化技術の開発も同時に進めることとしました。実現すれば,研究人口増加と,ダイヤモンド半導体研究の飛躍的発展に大きく貢献することが可能です。
ダイヤモンドは,優れた物性やユニークな機能を有することから,高耐圧かつ低損失の次世代パワー半導体デバイスへの応用が期待されています。パワーエレクトロニクスの将来の世界市場規模は,現在の6兆円から2030年には20兆円まで拡大すると見込まれています。本プロジェクトを通じて,金沢大学に世界をリードするダイヤモンド半導体デバイス研究の拠点を形成します。

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