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2023年1月14日付けブログ「ローム、パワー半導体に第3の矢「GaN」量産で挑む」で第3の矢とも言うべき画期的な半導体「窒化ガリウム（GaN）」と、GaNより更に低コストで飛躍的に高性能な第4の矢「酸化ガリウム（Ga2O3）」のパワー半導体をご紹介しましたが、こんどは第5の矢「ダイヤモンド（C）」のパワー半導体をご紹介！

ダイヤモンドと聞いただけで、ただ者ではないと思いました。

情報の出所はいつもの日経電子版、そっくりそのままカット＆ペーストでご紹介します。

ダイヤモンドは耐圧や耐熱性などの性能では第2の矢＝炭化ケイ素（SiC）や第3の矢＝窒化ガリウム（GaN）に勝り、「ポストSiC」と目される第4の矢＝酸化ガリウム（Ga2O3）の潜在能力をもしのぎ、理論上は電力損失をSiCの80分の1、GaNの10分の1以下にできるそうです。

「究極のパワー半導体」といわれるダイヤモンドを使った電力制御用半導体の開発が進んでいる。次世代パワー半導体の炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）と比べても高電圧への耐久性などに優れ、電力損失はシリコン製の5万分の1に減るとされる。熱や放射線にも強く、2050年ごろには人工衛星などに欠かせない部材となっている可能性がある。

ダイヤモンドの魅力は際だった潜在能力の高さにある。シリコン製のパワー半導体の約30倍の高電圧でも破壊されずに動き、熱を逃がす性能は10倍以上だ。理論上は電力効率がシリコン製の5万倍良いパワー半導体を実現できる。

ただし電子材料としての扱いにくさが難点だ。ダイヤモンドはあらゆる素材の中で最も硬い。自らよりも硬い材料で加工できないため、基板の表面を原子レベルで平らにするといった精密加工が難しい。リンやホウ素を混ぜ合わせて半導体の性質を持たせる、ドーピングと呼ぶ技術も確立できていない。

これらの課題に挑むのが佐賀大学の嘉数（かすう）誠教授だ。22年に精密部品メーカーのオーブレー（東京・足立）とダイヤモンド製パワー半導体を開発し、1センチ角あたり875メガ（メガは100万）ワットの電力で動作させた。ダイヤモンド半導体では世界最高、半導体全体でもGaNの約2090メガワットに次ぐ出力値だ。

半導体の性質を持たせるために、ダイヤモンド基板に二酸化窒素のガスを吹き付ける手法をとった。これを酸化アルミニウムの膜で保護することで高性能な半導体デバイスを実現した。基板表面を特殊な研磨方法で平らにし、電気抵抗を減らす工夫もした。

開発には高額の人工ダイヤを使ったが、「ダイヤを作るのにかかるコストは技術が進化すれば劇的に安くなる可能性がある」と嘉数教授は話す。高価な印象を持ちがちだが、構成元素は石炭や黒鉛と同じ炭素で、地球上に豊富に存在する。製造工程にも高価なガスなどは使っていない。

ダイヤモンド製半導体の用途として期待が大きいのが人工衛星向けの通信機器だ。既存の半導体は放射線によってソフトエラーと呼ばれる誤動作が起きたり劣化したりしやすいため、衛星の通信機器には真空管が使われている。

放射線に強いダイヤモンド製半導体で置き換えられれば、宇宙では供給が限られる電力を効率的に使える。イーロン・マスク氏率いる米スペースXの衛星通信サービス「スターリンク」や宇宙にデータセンターを配備する宇宙データセンターなど、衛星の通信需要は拡大する見通しだ。地上でも次世代通信規格「6G」や量子計算機を支える技術となる可能性がある。

嘉数教授は「今後は応用を意識した研究に移り、5年以内に試作品を提供したい」と話す。ここにきて、早稲田大学発スタートアップのパワーダイヤモンドシステムズ（東京・新宿）が創業し、ダイヤモンド製半導体の開発に乗り出すなどの動きも出てきた。大学から企業主導の研究へ徐々に移ることで、40年ごろの実用化が期待される。

さらなる大口径化欠かせず

嘉数教授らが高性能のダイヤモンド製半導体を実現できた背景には、ダイヤモンド基板（ウエハー）を2インチ（約50ミリメートル）まで大口径化できたことも大きい。ウエハーの製造はオーブレーが手掛けた。従来はウエハーの下地基板にもダイヤモンドを使っていたが、大口径化しやすいサファイアを使う技術を確立した。

それでも、300ミリメートルのウエハーを使うシリコンや150～200ミリのSiCと比べると後れをとる。デバイスの量産にはウエハーの大口径化や低価格化に向けたもう一段の技術革新が必要だ。

ダイヤモンドは耐圧や耐熱性などの性能ではSiCやGaNに勝り、「ポストSiC」と目される酸化ガリウムの潜在能力もしのぐ。理論上は電力損失をSiCの80分の1、GaNの10分の1以下にできる。

SiCやGaNのような複数の元素で構成される半導体と異なり、1つの元素で構成されるので、元素の混合比率を気にしなくていいのも有利な点だ。基板結晶の純度を高めることなどに注力できる。

半導体は素材メーカーから機器やシステムのメーカーまで、裾野が広い産業だ。ダイヤモンド製半導体を巡るサプライチェーン（供給網）の構築も重要な課題となる。

（大越優樹）